최종보고서(완결본)

2007-08002-0066-0

폐기물 자원화 기술Resource recycle technology of wastes

유체회전에 의한 유기성 고형물의 가용화 장치개발과

병합처리에 의한 자원화 가능성연구

The development of organic waste solubilizing device by fluid revolution and the study of its possibility

as a resources by combined treatment

국민대학교 산학협력단

환 경 부

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2. 제출문

제 출 문

환경부장관 귀하

본 보고서를 “유체회전에 의한 유기성 고형물의 가용화 장치개발과 병합처리에 의

한 자원화 가능성연구”의 보고서로 제출합니다.

2008 년 4 월 28 일

주관연구기관명 : 국민대학교 산학협력단

연구책임자 : 김동하

연 구 원 : 최지은

〃 : 장희규

〃 : 정창호

(세부)위탁연구기관명 :(주)엔지에스티

(세부)위탁연구책임자 : 이 수 영

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보고서 초록과제번호

2007-08002-0066-0

해당단계연구기간

2007.4.1~ 2008.3.31

구분 (해당단계) / (총단계)

연구사업명 차세대 핵심환경기술 개발사업

대분야명 환경 친화적 폐기물 자원 순환중분야명 폐기물 자원화 기술

연구개발과제명

국문명 유체회전에 의한 유기성 고형물의 가용화 장치개발과 병합처리에 의한 자원화 가능성 연구영문명

The development of organic waste solubilizing device by fluid revolution and the study of its possibility as a resources by combined treatment

연구책임자 김 동 하

해당단계 참여연구원

수

총 : 9명내부 : 4명외부 : 5명

해당단계 연구개발비

정부: 90,000천원기업: 천원 계 : 90,000천원

총연구기간참여연구원

수

총 : 9명내부 : 4명외부 : 5명

총연구개발비

정부: 90,000천원기업: 천원 계 : 90,000천원

연구기관명 및소속부서명

국 민 대 학 교 참여기업명

국제공동연구 상대국명 : 상대국연구기관명 :

위 탁 연 구 연구기관명 :(주)엔지에스티 연구책임자 : 이 수 영

요약(연구개발결과를 중심으로 개조식 500자 이내)보고서면수

◦ 연구목표 - 연구개발의 최종목표는 공정의 최적화 실험과 CFD시뮬레이션을 통하여

Cavitation과 오존을 이용한 유기성가용화 장치를 개발하고 경제성평가를 실시하며, 일정

규모(100L/hr)의 파일럿 장치를 제작 및 운전하여 하수고도 처리공정개선 및 혐기성소

화 공정개선을 위한 최적 공정을 도출.

◦ 연구결과

1) 가용화 장치용 반응기+고사양 펌프를 사용하였을 때 SCOD는 단순 원통 반응기+저사

양 펌프 보다 3배 증가.

2) pH 9.5로 실험을 수행했을 때 pH 7보다 SCOD는 2배 이상 증가.

3) 오존 실험에서는 3시간 가용화 처리 한 것보다 단순히 25분간 오존 처리할 경우

SCOD가 약 1.7배 더 증가함. 3시간 가용화 한 후 25분간 오존을 접촉시킨 SCID값은

단순히 3시간 가용화하였을 때 보다 2.1배 더 증가. 25분간 오존만 접촉시킨 실험보다

3시간 가용화 한 후 25분간 오존을 접촉시킨 실험의 SCOD값은 약 1.2배 증가.

4) 회분식 탈질 실험에서 가용화액을 외부탄소원으로이용하였을 때 NO3-N의 제거가 더

잘 이루어짐. 2시간 운전 후 탈질율은 메탄올 58%, 가용화액 78%..

색 인 어(각 5개 이상)

한 글 물리ㆍ화학적 처리, 전처리, 가용화, 오존, 공동화

영 어 physicoㆍchemical treatment, pre-treatment, solubilization, ozone, methane, cavitation

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요 약 문Ⅰ. 제 목

유체회전에 의한 유기성 고형물의 가용화 장치개발과 병합처리에 의한 자원화 가능성 연구

Ⅱ. 연구개발의 목적 및 필요성

1.연구개발 목적

연구개발의 최종목표는 공정의 최적화 실험과 CFD시뮬레이션을 통하여 Cavitation과

오존을 이용한 유기성가용화 장치를 개발하고 경제성평가를 실시하며, 일정규모

(100L/hr)의 파일럿 장치를 제작 및 운전하여 하수고도 처리공정개선 및 혐기성소화

공정개선을 위한 최적 공정을 도출 하는 데에 있다.

2. 연구개발 필요성

하수 처리장에서 발생하는 슬러지의 대부분은 육상매립과 해양투기에 의존하고 있

으므로 현재 육상 매립과 해양투기에 의존하고 있는 하수 슬러지의 처리에 대한 한

계와 자원순환형 사회를 위한 zero emmision을 달성하기 위하여 하수 슬러지의 발

생을 최대한 줄이고, 자원을 재활용할 수 있는 기술의 개발 및 도입은 시급한 실정이

며, 선진 외국에서도 이를 위한 연구/개발이 활발히 진행되고 있으나 국내의 연구/개

발 실적은 미진한 실정이다.

이에 본 기술을 이용하여 슬러지를 처리 할 경우 슬러지 감량과 가용화가 일어나

하수처리장 소화조의 소화율 증가, 슬러지 탈수율 증가로 인해 슬러지 처리 비용이

감소하고 음식물쓰레기와 함께 처리하여 하수처리장 외부 탄소원으로 공급이 가능해

하수처리장의 비용감소 효과와 바이오가스등 에너지원으로 활용 할 수가 있어 경제

적이라고 할 수가 있으며 에너지 산업에도 새로운 에너지원으로 공급이 가능하다.

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Ⅲ. 연구개발의 내용 본 연구에서는 고안된 전처리 반응조는 유입되는 하수슬러지와 폐기물을 펌프와 압축공기

에 의해 유체를 회전시키면서 원심력, 속도차에 따른 전단력, 강렬한 혼합, 생물학적 산화

그리고 내통의 적은 개구공을 지날 때의 공동화현상(cavitation)에 의해 분쇄된 음식쓰레기

의 가용화, 생물학적 산화 그리고 공동화에 의해 생물슬러지의 파괴와 가용화를 한층 증가

시키는 것으로 예측된다. 이렇게 반응이 복합적으로 발생할 때 다양한 반응 기작

(Mechanism)을 분석하기 위해 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 프로

그램인 FLUENT를 이용해서 물리적 처리장치내에서 Cavitation 발생 정도를 예측하고 전

단력, 원심력의 최대화를 위한 모델링(Modeling)을 실시한다. 모델링을 통해 얻은 자료를

바탕으로 최적의 물리적 처리장치를 Lab scale로 설계 및 제작한다.

본 연구에서는 1) 슬러지 가용화 정도를 파악하기 위해 CODcr, SCODcr, SS, TN, TP

(혹은 인산-인), VSS를 측정하고, 2) CST (Capillary Suction Test)를 통해 탈수성이

얼마나 향상되었는지를 살피며, 3) 입자분석을 통해 유기성폐기물이 얼마나 파괴 되었는지

를 알아보고, 4)ozone주입실험을 통해 최적의 오존량 선정, 5) 외부 탄소원으로 공급가능성

을 파악하기 위한 탈질실험, 6) 본 개발장치의 후속 혐기성공정을 고려하여 가용화 슬러지

를 이용한 혐기성분해 실험을 실시하여 VSS 또는 메탄발생량을 측정한다.

Ⅳ. 연구개발결과

1) 가용화 장치용 반응기+고사양 펌프를 사용하였을 때 SCOD는 단순 원통 반응기+저사

양 펌프 보다 3배 증가.

2) pH 9.5로 실험을 수행했을 때 pH 7보다 SCOD는 2배 이상 증가.

3) 오존 실험에서는 3시간 가용화 처리 한 것보다 단순히 25분간 오존 처리할 경우 SCOD

가 약 1.7배 더 증가함. 3시간 가용화 한 후 25분간 오존을 접촉시킨 SCID값은 단순

히 3시간 가용화하였을 때 보다 2.1배 더 증가. 25분간 오존만 접촉시킨 실험보다 3시

간 가용화 한 후 25분간 오존을 접촉시킨 실험의 SCOD값은 약 1.2배 증가.

4) 회분식 탈질 실험에서 가용화액을 외부탄소원으로 이용하였을 때 NO3-N의 제거가 더

잘 이루어짐. 2시간 운전 후 탈질율은 메탄올 58%, 가용화액 78%..

Ⅴ. 연구개발결과의 활용계획본 산학공동기술개발과제를 통해 얻은 결과 활용을 위한 향후계획은 첫째, 여러 형태 슬

러지를 본 장치를 통해 경제적인 전처리 및 가용화 달성하였고, 이를 토대로 하수슬러지

의 효율적 전처리를 위한 지표를 제시하여 할 계획이다. 둘째, 수소 및 바이오 가스 생

성 연구 및 전처리 효율 검증을 위하여 기존 수소발생연구의 조사, 문제점 파악 및 발전

방안 제시하고, 유기성 슬러지 감량화율 파악하며, 전처리 유무에 따른 수소생성능력 비

교하는 것이다.

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S U M M A R Y

I. Title

The development of organic waste solubilizing device by fluid revolution and the study of its possibility as a resources by combined treatment

II. Background and Objectives

1. research objectives

The purpose of this study is to determine the optimal method and operational

conditions in pretreatment of sludge waste by using of the cavitation process with

ozonation. We also have tried some biological tests of methane fermentation and

denitrification by using of the solubilized sludge as a substrate. For the optimal

reactor design, some CFD program simulation were executed.

2. ressearch background

For the sludge solubilization, we have tried to develop a pretreatment process

consisted of a reactor and pumps, which use the cavitation phenomena. Cavitation

is a general term used to describe the behavior of voids or bubbles in a liquid.

Cavitation is usually divided into two classes of behavior: inertial (or transient)

cavitation and non-inertial cavitation. Inertial cavitation is the process where a

void or bubble in a liquid rapidly collapses, producing a shock wave. Such

cavitation often occurs in pumps, propellers, impellers, and in the vascular tissues

of plants. Non-inertial cavitation is the process where a bubble in a fluid is forced

to oscillate in size or shape due to some form of energy input, such as an

acoustic field. Such cavitation is often employed in ultrasonic cleaning baths and

can also be observed in pumps, propellers etc.

Major places where cavitation occurs are in pumps, on propellers, or at

restrictions in a flowing liquid. As an impeller's (in a pump), or propeller's (as in

the case of a ship or submarine) blades move through a fluid, low pressure areas

are formed as the fluid accelerates around and moves past the blades. The faster

the blades move, the lower the pressure around it can become. As it reaches

vapor pressure, the fluid vaporizes and forms small bubbles of gas. This is

cavitation. When the bubbles collapse later, they typically cause very strong local

shockwaves in the fluid, which may be audible and may even damage the blades.

5. 영문 요약서

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III. Research Scope and Contents

Cavitation is a general term used to describe the behavior of voids or bubbles in

a liquid. As an impeller's (in a pump), blades move through a fluid, low pressure

areas are formed as the fluid accelerates around and moves past the blades. As it

reaches vapor pressure, the fluid vaporizes and forms small bubbles of gas. A

unique approach can be to use a combination of hydrodynamic cavitation with

other advanced oxidation processes with O3 has been applied to real wastewater

sludges.

For the optimal reactor design, some CFD(computational fluid dynamics) program

simulation were executed, and a lab. sclae of 50L, cavitational apparatus

consisted of a reactor and two pumps was made and tested.

1) COD and SCOD solubilization and TS reduction were measured for the extent

of sludge solubilizaton, 2) ozonation and pH control were tested for the optimal

operation conditions, 3) denitrification test with the solubilized sludge were

accomplished, 4) for the energy recovery, some methane fermentation tests with

the solubilized sludge were tested.

IV. Results and discussion

1) With the cavitationaly designed vactor both COD solubilization and TS

reduction increase 3 Times nigher than that with the simple reactor as the pH of

sludge increase.

2) According to the experimental results, the SCOD yield was around 200% at

pH 9.5 with 3 hours of cavitational mixing.

3) Combination of cavitation and ozonization has a major positive effect on the

solubilization of VSS and thus increases the SCOD yields. SCOD yeild was around

500% for 15min ozonization and 3 hour cavitation.

4) NO3-N removal ratio was influenced by the using of the solubilized sludge as

a external carbon source. The T-N removal ratio was 78% with the solubilized

sludge after 2hour denitrification, but only 58% with the methanol addition.

V. Future Utilization Plan

Further investigations will be undertaken to elucidate the optimum desigen

parameters and operation conditions of the cavitational pretreatment system. We

will try to develop a innovated advanced wastewater treatment systems with the

cavitational pretreatment process. We would like to develop a improved anaerobic

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fermentation process by using of the results obtaimed from this research and

intend to have some related experiments for the anaerobic process improvement

and higher bio-energy recovery.

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C O N T E N T S

Chapter 1. Introduction

1. Objectives

2. Contents and Expectation

2.1. Contents

2.2. Expectation

3. Importance and Necessity

3.1. Survey of Sludge Treatment Technology

3.2. Development of the Cavitation process

Chapter 2. Development Status of the Sludge Solubilization Processes

1. Status of the Foreign

2. Status of the Domestic

2.1. Sludge Reduction by Ultrasonic Waves

2.2. Sludge Reduction by Ozonization

3. Economic Estimation

Chapter 3. Apply of the research

Chapter 4. Research Results

1. experimental method

2. Results and Discussion

2.1. Results of CFD simulation

2.2. Sludge Solubilization by the Cavitation

2.3. Sludge Solubilization of Ozonization

2.4. Denitrification with the Solubilized Sludge

2.5. Methane Fermentation with the Solubilized Sludge

2.6. Dehydration and Phosphor Recovery

6. 영문 목차

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Chapter 5. the attainment of the goal

Chapter 6. the planned goal

Chapter 7. information technology of the abroad

Chapter 8. References

(A supplement)

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7. 목 차

목 차

제 1 장 연구개발과제의 개요 -------------------------------- 15

1. 연구개발의 목적 ---------------------------------------- 15

2. 연구 내용 및 기대성과 ----------------------------------- 16

2.1. 연구 내용

2.2. 기대성과

3. 연구개발의 중요성 및 필요성 ------------------------------ 18

3.1. 연구개발 대상 기술의 중요성

3.1.1. 하수슬러지의 처리현황 및 문제점

3.1.2. 기술의 경제적·산업적 중요성

3.2. 연구개발의 필요성

3.2.1. 슬러지 감량 및 가용화 기술

3.2.2. 연구개발의 필요성

제 2 장 국내․외 관련 기술의 현황 ----------------------------- 31

1. 국외 기술현황 ----------------------------------------- 31

2. 국내 기술현황 ----------------------------------------- 33

2.1. 초음파를 이용한 슬러지 발생 저감화 기술

2.2. 오존을 이용한 슬러지발생 저감화 기술

3. 국내․외 시장규모 --------------------------------------- 36

제 3 장 연구개발 수행 원리 --------------------------------- 37

1. 연구개발의 원리 --------------------------------------- 37

1.1. 케비테이션 이론

1.1.1. 캐비테이션(Cavitation)

1.1.2. 캐비테이션의 종류

1.1.3. 캐비테이션의 특징

1.1.4. 캐비테이션의 침식

1.1.5. 기포의 붕괴

1.1.6. 기포 붕괴압 크기와 분포

1.1.7. 캐비테이션 침식에 영향을 주는 인자

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1.2. 사고사례

1.2.1. 캐비테이션에 의한 부식

1.2.2. 캐비테이션 부식에 의한 누수

1.2.3. 진동으로 인한 밸브 전동기 고장

1.2.4. 진동으로 인한 디스크 지지 가이드 이탈

2. 캐비테이션이 발생되는 운전조건 ---------------------------- 41

2.1. 캐비테이션수()

2.2. 캐비테이션 발생 적정범위

2.3. 유속의 적정범위

2.4. 압력의 적정범위

2.5. 수온과 증기압 관계

제 4 장 연구개발수행 내용 및 결과 -------------------------- 45

1. 연구개발수행 내용 (실험 장치 및 방법) --------------------- 45

1.1. 컴퓨터 시뮬레이션(CFD)

1.1.1. 컴퓨터 시뮬레이션 개요

1.1.2. 컴퓨터 시뮬레이션 기법

1.1.3. 지배방정식

1.1.4. 계산조건과 경계조건

1.1.5. 계산격자

1.2. 실험장치

1.2.1. 가용화 장치

1.2.2. 오존 발생장치

1.2.3. 탈질 미생물 반응조

1.2.4. 메탄 미생물 배양조

1.3. 실험 재료

1.4. 실험 방법

1.4.1. Cavitation에 의한 가용화 실험

1.4.2. 오존 처리에 의한 가용화

1.4.3. 가용화액을 이용한 탈질 처리

1.4.4. 가용화 슬러지를 이용한 메탄 발효 실험

1.4.5. 탈수 성능 및 인 회수 실험

1.5. 실험 분석방법

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1.5.1. Cavitation에 의한 가용화 실험

1.5.2. 가용화 슬러지에 의한 가용화액을 이용한 탈질 처리

1.5.3. 가용화된 슬러지를 이용한 메탄 발효

2. 연구개발수행 결과 -------------------------------------- 68

2.1. CFD 시뮬레이션 결과

2.1.1. 유속장

2.1.2. 압력장

2.1.3. VOF(기액비율) - 25℃ 상태, 측면 보기

2.1.4. VOF(기액비율) - 25℃ 상태, 단면보기

2.1.5. Isosurface of cavitation(측면)

2.1.6. Isosurface of cavitation(정면)

2.1.7. 단면압력변화(수직축)

2.1.8. 단면압력변화(수평축)

2.1.9. 단면유속변화(수직축)

2.1.10. 단면유속변화(수평축)

2.1.11. 펌프형상고려

2.2. Cavitation에 의한 가용화 실험

2.2.1. Run1의 결과

2.2.2. Run2의 결과

2.2.3. Run3의 결과

2.2.4. 가용화에 미치는 pH의 영향

2.3. 오존 처리에 의한 가용화

2.3.1. 오존 처리시간의 영향

2.3.2. Cavitation 처리후 오존 주입에 의한 가용화

2.3.3. 오존 주입 후 Cavitation을 이용한 가용화

2.4. 가용화액을 이용한 탈질 처리

2.4.1. 온도영향

2.4.2. 가용화된 슬러지의 영향

2.5. 가용화액을 이용한 메탄생성

2.6. 탈수성능 및 인 회수

제 5 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 --------------------- 109

1. 연구개발목표 달성도 ------------------------------------- 109

1.1. 슬러지 가용화 목표달성 평가

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1.1.1. 장치의 간단성 및 경제성

1.1.2. 슬러지 가용화

1.1.3. 탈질, 메탄 발생

1.1.4. 탈수성능 및 인 회수

1.2. 슬러지 가용화 장치의 운영인자

1.2.1. 슬러지 가용화 운영인자 도출

2. 경제적 성과 및 기술발전 기여도 ---------------------------- 112

2.1. 경제적 성과

2.2. 기타성과

제 6장 연구개발결과 활용계획 ------------------------------- 115

1. 1차년도의 연구개발 내용 --------------------------------- 115

2. 2차 년도의 연구개발 내용 -------------------------------- 115

3. 연구개발결과의 활용방안 및 기대 성과 ---------------------- 116

3.1. 연구개발결과의 활용방안

3.2. 기대성과

제 7장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ---------------- 119

1. 기존 전처리 기술의 외국사례 ------------------------------ 119

1.1 기계적 처리

1.2 화학적 처리

2. 슬러지 전처리 기술의 국가별 특허 동향 ---------------------- 121

2.1 기술별 특허동향의 외국 사례(한국, 미국, 일본)

2.1.1 한국의 기술분야별 특허 동향

2.1.2 미국의 기술분야별 특허동향

2.1.3 일본의 기술분야별 특허동향

2.2 슬러지 전처리 기술의 전체적 경향

제 8장 참고문헌 ------------------------------------------ 125

부록 --------------------------------------------------- 131

1. 실험결과 data

2. 연구 성과물

3. 공개세미나 (자료첨부)

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8. 본문제 1 장 연구개발과제의 개요

1. 연구개발의 목적

하수슬러지(sludge) 및 음식물쓰레기(food waste)등의 유기성폐기물(organic

waste) 처리에 대한 연구 및 개발은 국내외적인 주요 관심사 중의 하나이다. 그러나

지금까지 개발된 초음파(ultrasound), 오존(ozone)처리, 전자빔, 분쇄, 가온처리, 화학

적 처리 등의 전처리 공정들은 복잡성과 처리과정에서의 문제 발생, 낮은 처리효율,

처리효율 대비 비경제성 등의 단점을 가지고 있다. 그럼에도 불구하고 유기성 폐기물

에 대한 1) 처리능력의 극대화, 2) 유기성폐기물 저감, 3) 유용한 바이오 가스 생성,

4) 처리에 따른 경제성 분석 하나하나가 중요한 의미를 지닌다고 할 수 있다.

이에 본 연구의 목표는 유체회전기능을 이용한 유기성 고형물(하수슬러지)의 가용

화장치(이하 “개발 장치”)』를 개발하여 가용화 정도를 파악하고 오존이나 알칼리를

투입하여 더욱 빠른 시간 내에 가용화를 달성하여 SS의 감량은 물론 생물학적 고도처

리를 위한 외부 탄소원 공급이나 유용한 바이오가스(메탄이나 수고)의 대량생산 및 공

급이 가능한 다양한 전처리로 활용하고자 한다. 본 개발 장치는 3중 혹은 2중 원통형

구조와 일부 내통에 소구경의 홈이 있어 cavitation 발생이 가능한 구조로 되어져 있

다. 고형물을 포함한 유체는 회전력과 전단력이 극대화 될 수 있는 위치에 펌프에 의

해 투입되면 고속회전하면서 유체와 그 속에 포함된 고형물은 극렬혼합 물론 회전력,

마찰력, 전단력 및 cavitation을 격게 된다. 이러한 물리적 작용으로 거대입자는 미립

자화 되고 미립자 된 고형물의 일부는 가용화를 겪게 된다. 즉 이러한 회전력, 마찰력,

전단력 및 cavitation, 유체충격 등의 반응기작을 과학적으로 밝혀내기 위해 3차원적

인 난류회전을 잘 나타낼 수 있는 κ-ε모델(난류모델)을 이용하여 전산 유체 시뮬fp이

션(CFD)을 수행하여 그 결과를 바탕으로 과학적 설계, 제작 및 보완을 한다.

오존은 하수슬러지 감량화에 많이 사용되고 있는 추세이나 기존의 오존분해는 많은

양의 오존을 필요로 하고 설비비가 많이 들며(오존 발생장치, 오존에 의한 배관 부식

방지를 위한 내식성 재질 사용, 배오존 파괴 설비가 필요) 운전비용이 많이 들고 고도

의 운전기술이 필요하며 배오존에 의한 2차 대기오염의 가능성이 있는 등 단점 등이

있으나 본 개발 장치를 이용하면 밀폐된 공간에서 물질 간 극렬혼합에 의해 오존사용

량이 극대화 되므로 오존 투입량은 적어지고 기존에 부작용으로 발생하던 거품은 거

의 문제가 되지 않게 된다.

즉, 슬러지의 감량화와 동시에 BOD 감소, 난분해성 물질의 처리 가능, 살균이 동시

에 진행되는 등의 장점이 있어 물리적 전처리 장치와 함께 사용 할 경우 적은양의 오

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존으로도 처리효율을 극대화 할 수 있을 것으로 기대되며 소량의 오존을 사용함으로

서 오존처리의 단점을 극복할 것으로 기대된다. 또한 본 개발 장치에 하수슬러지를 일

정시간 가동시키면 인이 자연적으로 방출되고 이때 알칼리(Lime)을 투입하여 pH를 상

승시키게 되면 알칼리와의 반응에 의한 슬러지파괴와 가용화가 촉진되고 인 방출량도

최대로 되어 Ca10(PO4)6(OH)2(hydroxylapatite)로 인의 침전은 물론 양질의 외부 탄소

원 생성도 가능해질 것으로 판단된다.

즉, 시스템이 적절히 운전되면 가용화가 용이하게 이루어지고 하수처리장의 외부 탄

소원 공급이 가능하며 메탄가스 생산 시스템에서 반응시간도 많이 줄어들 것으로 기

대되며 경제성을 검토하고자 한다.

2. 연구 내용 및 기대성과

2.1 연구내용

유기성 폐기물이나 슬러지의 감량화와 자원화 기술 확보는 국내외적으로 중요한 의

미를 지닌다. 본 연구에서는 미생물 슬러지를 포함한 이러한 유기성폐기물을 감량 및

가용화 하여 하수처리장 외부 탄소원 공급 또는 메탄등 유용한 바이오가스를 생성할

수 있는 일석이조의 효과를 얻는다. 최근 들어 유기성폐기물과 하수슬러지 처리 및

감량화등의 기술이 국내에도 많이 개발되고 있고 도입되고 있으며 일부 연구에서는

전처리후 유용한 바이오 가스 생성까지 기술이 개발되고 있다. 그러나 유용한 바이오

가스를 얻기 위해 지금까지 개발된 전처리 기술-초음파, 오존처리, 전자빔, 분쇄, 가온

처리, 화학처리, 열분해-들은 처리시설의 복잡성, 처리시 발생되는 문제, 고가의 유지

관리비, 유지관리의 난이성등의 문제들로 결국 비경제적인 기술들이 되고 말았다. 그

러나 최근 환경적 측면에서 에너지전환 기술 개발과 보유가 주요현안이 되면서 전처

리에 대한 개발이 더욱 중요하게 부각되고 있다. 그러나 기존의 단순한 물리/화학적

반응원리로는 특성이 다른 미생물 슬러지와 음식쓰레기 같은 유기성폐기물을 적절하

게 처리할 수 없다.

그러므로 본 연구에서는 미생물 슬러지와 음식쓰레기의 특성을 감안하여 기계적으

로는 단순하고 반응은 여러 기작(Multi-mechanisms)을 가지는 물리적 전처리를 고안

하였다. 고안된 가용화 반응기는 유입되는 하수슬러지와 폐기물을 펌프와 압축공기에

의해 유체를 회전시키면서 원심력, 속도차에 따른 전단력, 강렬한 혼합, 생물학적 산화

그리고 내통의 적은 입구를 지날 때의 공동화현상(cavitation)에 의해 분쇄된 음식쓰레

기의 가용화, 생물학적 산화 그리고 공동화에 의해 생물슬러지의 파괴와 가용화를 한

층 증가시키는 것으로 예측된다. 이렇게 반응이 복합적으로 발생할 때 다양한 반응 기

작(Mechanism)을 분석하기 위해 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD)

프로그램인 FLUENT를 이용해서 물리적 처리장치내에서 Cavitation 발생 정도를 예

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측하고 전단력, 원심력의 최대화를 위한 모델링을 실시한다. 모델링을 통해 얻은 자료

를 바탕으로 최적의 물리적 처리장치를 Lab scale로 설계 및 제작한다.

오존은 하수슬러지 분해에 많이 사용되고 있는데 기존의 오존분해는 많은 양의 오존

을 필요로 하고 설비비가 많이 들며(오존 발생장치, 오존에 의한 배관 부식 방지를 위

한 내식성 재질 사용, 배 오존 파괴 설비가 필요) 운전비용이 많이 들고 고도의 운전

기술이 필요하며 배 오존에 의한 2차대기오염의 가능성이 있는 등, 단점들이 있으나

슬러지의 감량화와 동시에 BOD 감소, 난분해성 물질의 처리 가능, 살균이 동시에 진

행되는 등의 장점이 있어 물리적전처리 장치와 함께 사용 할 경우 적은양의 오존으로

도 처리효율을 극대화 할 수 있을 것으로 기대되며 소량의 오존을 사용함으로서 오존

처리의 단점을 극복할 것으로 기대된다.

본 연구에서는 1) 슬러지 가용화 정도를 파악하기 위해 CODcr, SCODcr, SS, TN,

TP(혹은 인산-인), VSS를 측정하고, 2) CST분석을 통한 50% 범위의 탈수성 향상을

파악하며, 3) 입자분석을 통한 30%이상의 효율적 유기성폐기물 파괴 및 처리를 기대

하며, 4) ozone주입실험을 통해 1g O3/hr이하의 최적의 오존주입량 산정, 5) 외부 탄

소원으로 공급가능성을 파악하기위한 기초적 실험을 수행하며, 6) 본 개발 장치의 후

속 혐기성공정을 고려하여 본 개발 장치 처리 유무에 따른 간단한 혐기성분해를 실시

하여 VSS측정이나 메탄발생량을 측정하여 감량화율을 파악한다.

본 시스템이 적절히 운전되면 감량화와 가용화가 용이하게 이루어지고 하수처리장의

외부 탄소원 공급이 가능하고 하수처리장에 별도의 시설을 증축하지 않고 적은 공간

에 본 장치를 설치하여 소화조 효율을 향상시켜 슬러지 발생량을 최소화 하고 부생가

스 발생량을 극대화 하며 탈수효율을 향상을 기대한다.

후단의 메탄가스 생산 시스템에서 반응시간도 많이 줄어들 것으로 기대되며 경제성

을 검토하고자 한다.

2.2. 기대성과

(1) 기존 하수 슬러지와 음식쓰레기를 간단한 원리의 기계적 장치와 소량의 오존으로

처리하므로 초기투자 비용이 적고 유지관리가 간편할 것으로 기대한다.

(2) 전처리 가용화 정도의 조절이 다른 시스템보다 용이함으로 경제성정도에 따라 가

용화가 가능하게 된다.

(3) 전치리된 하수슬러지와 음식쓰레기를 혐기성 생물처리에 의해 슬러지의 감량화와

메탄등 유용한 바이오가스 획득이 가능하다.

(4) 적절한 전처리는 유기성슬러지의 메탄등 바이오 가스 생산 장치에서 선택적으로

메탄발생량을 늘릴 수 있으며 처리속도를 빠르게 할 수 있다.

(5) 전처리조 구조의 경우 단순한 반응조이나 여러 가지 처리기작을 보유하므로 여러

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분야에 적용 잠재력이 있다.

(6) 바이오 가스 생산 장치에 대한 국내 기술축적이 가능하다.

(7) 하수처리장에서 외부탄소원공급원의 역할을 할 수 있다.

(8) 소화조 효율을 향상시켜 슬러지 발생량을 최소화 한다.

(9) 부생가스 발생량을 극대화 한다

(10)탈수효율을 향상한다.

3. 연구개발의 중요성 및 필요성

3.1. 연구개발 대상 기술의 중요성

3.1.1. 하수슬러지의 처리현황 및 문제점

현재 전국에 가동 중인 하수처리장은 2003년도 말을 기준으로 242개소이며 처리시

설용량은 20,844,745㎥/일이고 이들 하수처리장 대부분은 활성슬러지법 또는 그 변법을

이용하고 있으므로 하수처리과정에서 잉여 슬러지가 발생되고 있으며, 발생되는 슬러

지의 양은 전체적으로 연간 227만톤이 발생되었고, 원단위는 평균 0.348kg/㎥이다. 각

종 유기성폐기물 중에 음식물쓰레기와 슬러지류에 대하여 직매립을 금지하는 내용을

폐기물관리법 시행규칙에 명시하였으며, 음식물쓰레기는 2005년 1월부터 각종 슬러지

류는 2003년 7월부터 직매립이 금지되었다.

직매립 금지조항이 설정된 초기인 2000년도부터 해양투기량이 급격하게 증가되어

최근에는 70%이상이 해양투기에 의존하고 있다. 육상에서의 처리처분, 자원화를 유도

하기 위하여 직매립 금지조치가 시행 되었으나, 실제 소각 및 재활용비율은 그다지 증

가하지 않은 채, 해양투기로 집중되었다. 하수슬러지의 해양투기는 런던덤핑협약과 관

련된 96의정서가 발효되면 해양 투기가 금지될 가능성이 크며, 머지않아 발효될 것으

로 예상되므로 이에 대비하여 육상에서 처리하는 근본적인 대책 마련이 필요하다.

한편 00하수처리장의 경우 최근 3년(‘02～’04년)간 운영현황을 살펴보면 소화조 투

입슬러지의 유기물 함량은 약 61.2%로 타 처리장에 비해 다소 높은 특성을 나타내고

있으나 하절기의 경우 합병식 하수관거의 특성상 유기물 함량이 낮은 토사의 유입 등

으로 인하여 소화효율이 저하되는 것으로 조사되었다. 일반적으로 국내 하수슬러지 처

리시 다음과 같은 문제점을 내포하고 있는 것으로 나타났다.

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� 슬러지 농축조의 농축효율 저하

(일반적으로 2~3%, 설계시 5%로 설계)

� 소화조의 소화효율 저하

(설계시 80%정도로 설계되나, 실제는 40~50%임, 특히 겨울철에 소화율이 낮음)

� 슬러지 개량시 고분자응집제에 의존

(다양한 응집제의 혼용, 특히 무기응집제의 혼용이 필요하나 검토가 이루어지지 않음)

� 탈수기의 벨트프레스로의 일원화

(대부분의 처리장에서 벨트프레스로 운영중이나 상대적으로 탈수효율이 낮음)

일반적으로 하수처리시설에서 발생하는 잉여슬러지는 유기물을 이용하여 성장한 미

생물의 세포로 구성되어 있으며, 세포의 특성상 쉽게 분해되지 않고 소화조에서의 감

량화율 또한 낮아 처리에 많은 문제점을 가지고 있다. 또한 소화효율 저하 시 세포액

으로 구성된 내부수(표 1.1 참조)로 인하여 탈수효율 저하를 일으키고 탈수에 소요되

는 약품량의 증가를 초래하는 원인이 되기도 한다.

따라서 소화조 효율을 향상시켜 슬러지 발생량을 최소화하고 부생가스 발생량을 극

대화하며 탈수효율을 향상시키기 위한 슬러지 전처리기술의 도입은 반드시 필요한 것

으로 판단된다.

표 1.1 수분의 분포형태 및 특성

구 분 분포상태 및 특성

모관결합수 · 슬러지 입자의 갈라진 틈을 가득 채우는 수분형태 · 물이 집합밀도가 높은 슬러지 고형물의 미세한 부분에 둘러싸이면 모세관 현상에 의해 각각의 입자들에 부착

제거방법

기계적 탈수

간극모관결합수 · 슬러지 입자에 둘러싸인 공간을 채우고 있는 모관수 · 고형질의 미세편에 둘러 쌓여 갈라진 틈새에 존재 · 금속결합 결정수 등

기계적 탈수

쐐기상의모관결합수

· 모관압에 의해 슬러지 입자와 슬러지 입자를 쐐기상으로 결합시키고 있는 모관수

기계적 탈수

표면부착수 · 슬러지 입자표면에 부착되어 있는 물 · 미세오니와 생물학적처리로 발생하는 콜로이드상 입상결합수로 각 입자에 화학적 결합

응집(or floc 형성)

내 부 수 · 슬러지 입자를 형성하고 있는 세포의 세포액으로 존재

· 세포 파괴 - 소화(혐기,호기) - 가열 및 파쇄 - 오존 및 약품처리 등

결 합 강 도 내부수 > 표면부착수 > 쐐기상모관결합수 > 간극모관결합수 > 모관결합수

문 제 점

- 20 -

3.1.2. 기술의 경제적·산업적 중요성

하수 처리장에서 발생하는 슬러지의 대부분은 육상매립과 해양투기에 의존하고 있

으므로 현재 육상 매립과 해양투기에 의존하고 있는 하수 슬러지의 처리에 대한 한계

와 자원순환형 사회를 위한 zero emmision을 달성하기 위하여 하수 슬러지의 발생을

최대한 줄이고, 자원을 재활용할 수 있는 기술의 개발 및 도입은 시급한 실정이며, 선

진 외국에서도 이를 위한 연구/개발이 활발히 진행되고 있으나 국내의 연구/개발 실적

은 미진한 실정이다.

이에 본 기술을 이용하여 슬러지를 처리 할 경우 슬러지 감량과 가용화가 일어나

하수처리장 소화조의 소화율 증가, 슬러지 탈수율 증가로 인해 슬러지 처리 비용이 감

소하고 음식물쓰레기와 함께 처리하여 하수처리장 외부 탄소원으로 공급이 가능해 하

수처리장의 비용감소 효과와 바이오가스등 에너지원으로 활용 할 수가 있어 경제적

이라고 할 수가 있으며 에너지 산업에도 새로운 에너지원으로 공급이 가능하다.

3.2. 연구개발의 필요성

3.2.1. 슬러지 감량 및 가용화 기술

하수 처리장에서 발생하는 슬러지의 대부분은 육상매립과 해양투기에 의존하고 있

으므로 현재 육상 매립과 해양투기에 의존하고 있는 하수 슬러지의 처리에 대한 한계

와 자원 순환형 사회를 위한 zero emmision을 달성하기 위하여 하수 슬러지의 발생을

최대한 줄이고, 자원을 재활용할 수 있는 기술의 개발 및 도입은 시급한 실정이다.

하수 슬러지의 감량화에 이용되는 방법은 표 1.2와 같이 분류할 수 있다.

표 1.2 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 Cavitation, Mill 파쇄법

초임계수를 이용한 방법

복합 처리방법 알칼리 처리 + 기계적 파쇄

감압파쇄 + 가열 + 초음파

- 21 -

(1) 오존을 이용한 슬러지 감량화 기술

오존을 이용한 처리방법은 2차 침전지로부터 인출되어진 잉여 슬러지를 오존처리설

비(오존접촉 반응조)에서 산화력이 강한 오존과 접촉 반응시켜 시킨 후, 포기조로 순

환 반송하여 미생물에 의하여 계속적으로 처리하게 함으로써 슬러지를 궁극적으로 감

량화 시키는 간단한 원리이다. 잉여 슬러지는 오존의 강력한 산화 작용에 의하여 미생

물 세포벽이 파괴되어 미생물이 먹기 쉬운 형태로 가용화되어 생물학적 분해가 가능

한 유기물(저분자 유기물)로 변화한다.

이 시스템의 특징은 다음과 같다.

① 장외 반출 슬러지의 처분지 확보가 불필요해진다.

② 슬러지 탈수 처리가 불필요해져, 그 때문의 설비 및 운전 관리원이 불필요

③ 오존 슬러지 처리 설비는, 물리적처리 설비의 일환으로서 취급이 가능.

④ 슬러지 처분비용를 포함한 유지 관리비는 큰 폭으로 삭감 할 수 있다.

⑤ 슬러지 처리에 수반하는 고농도 악취의 발생이 없어져, 악취 대책이 용이하게 된

다.

일 차

침전지

이 차

침전지포기조

반송

슬러지

오 존

가 스

오 존

반응조

오 존

발생장치

그림 1.1 오존에 의한 슬러지 감량화 시스템

오존을 이용한 하수슬러지의 감량화 기술이 갖고 있는 장⋅ 단점은 다음 표 1.3과 같

다.

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표 1.3 오존을 이용한 하수슬러지의 감량화 기술의 장⋅ 단점

장 점 단 점

▪ 기존의 처리시설에 설치 가능

▪ 슬러지의 감량화와 동시에

BOD 감소

▪ 난분해성 물질의 처리 가능

▪ 살균이 동시에 진행

▪ 설비비용이 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

표 1.4 오존산화를 이용한 감량화 기술

구 분 내 용 비 고

개 요

∙ 오존의 산화력을 이용하여 세포벽을 산화시켜 슬러지를 가용화시

킨 후 생물반응조로 유입시켜 최종적으로 이산화탄소로 분해되고 일

부는 생체합성에 사용되어 잉여슬러지 감량화

기본공정

일차침전지 포기조

이차침전지

오존반응조 오존발생장치

반송슬러지

오존가스

주요설비 ∙ 오존반응조(가용화조), 오존발생기, pH조정설비, 폐오존처리장치 등

감량화율 ∙ 분류식 : 95~98%

장단점

장점 ∙ 반응이 빠르고 시설이 콤팩트

단점

∙ 오존발생기 유지관리 복잡

∙ 가용화액의 반류부하 큼.

∙ 생물반응조의 발포현상 우려

∙ 침강성이 약간 악화

∙ 처리수질 악화 (COD:10~40%상승, T-P:50~90%상승)

적용실적 ∙ 하수(산화구법 등), 공장폐수 등에 적용 일 본

- 23 -

(2) 자기발열 고온 호기성처리에 의한 감량화

자기발열고온호기성시스템은 산소를 최소한으로 억제한 상태에서 호기성미생물에

의하여 유기물을 분해하게 하고, 유기물분해와 동시에 발생되는 산화열을 이용하여 외

부가온 없이 반응조의 온도를 55℃이상 올려 유기물의 분해를 촉진하는 원리이다.

이러한 자기발열 고온호기성시스템은 1960년대부터 연구되어 1970년대 중반 상용화

가 독일을 중심으로 진행되어 왔으나, 장치의 최적화 및 범용화에 많은 문제점이 제기

되었으나, 1990년대에 산소공급 방법 등의 개선으로 본격적인 상용화가 시작되었다.

표 1.5 자가발열 고온호기성소화(ATAD)를 이용한 감량화 기술

구 분 내 용 비 고

개 요

∙ ATAD는 외부의 열 유입없이 자체적으로 45～60℃까지 가온

이 되는 2단계 호기성 소화공정으로, 고온에서 짧은 시간(약 6

일)내에 소화가 진행되어 작은 용량의 소화조에서도 많은 슬러

지를 처리할 수 있는 공정

공정도

특 징

∙ 외부가온이 없고 특정 미생물 균주가 불필요함.

∙ 컴팩트한 원형탱크구조물로 가능

∙ 증설이 용이하고 낮은 운영비

∙ 운전기간(6~10일 이내)이 짧아 많은 슬러지 처리가능

감량효율 ∙ VSS기준 약 65~75%

용 도

∙ 분뇨 및 축산폐수 전처리

∙ 고농도 유기폐수 전처리

∙ 하․폐수 Sludge 소화처리

고농도액상슬러지+ O2 CO2 + H2O + 안정화물(부식질) + 산화열

( 55℃ 이상유지 )

호기성 미생물

- 24 -

(3) 가압파쇄원리에 의한 하수슬러지의 감량화

본 시스템은 잉여 슬러지에 포함되는 미분화한 유기물을 인출하여 압력을 가하여

파쇄(가용화)하고, 이것을 원래의 처리조에 반송하여 재차 분해 처리하는 것으로서 종

래의 처리 방법에서는 분해할 수 없었던 잉여 슬러지까지도 분해 할 수 있는 시스템

이다. 처리 시설의 특성에 따라 약간씩 차이는 있으나, 슬러지 발생량을 미설치된 것

과 비교하였을 때 본 시스템으로 70%이상 감량화 할 수가 있다. 종래의 처리 방법으

로 필요했던 특수한 미생물이나 약제, 오존 발생기 등은 불필요하고, 시스템은 컴팩트

하여 설치 현장에서 한계는 없다.

그림 1.2 가압파쇄시스템의 구성도

(4) 수열 반응에 의한 슬러지 감량화 시스템

슬러지는 유기 고형물이나 미생물 세포로 구성되어 있다. 세포내 물질은 생물학적

으로 분해가 가능한 물질이지만 세포벽은 난분해성의 고분자 물질로 구성되어 있어

통상의 생물학적인 방법으로는 분해가 곤란하다. 수열 • 생물법의 원리는 수열반응과

생물 기능을 편성해 슬러지를 처리 • 소멸하는 것이다. 수열공정으로 슬러지 중의 유기

고형분이나 세포벽 등의 난분해성 성분을 수열반응에 의해 저분자화 하여 생물 분해

성의 물질로 개질하고, 이것을 생물학적인 처리시스템으로 보내어 미생물에 의하여 대

사 • 소멸 시키는 방법이다.

수열반응의 경우에는 세포를 구성하는 고분자 물질을 그 기본 단위 물질, 예를 들

면, 단당이나 아미노산 등으로 분해할 필요는 없으며 미생물에 의해 섭취 • 대사 분해

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가능한 분자 크기까지 분해 할 수 있으면 분해 반응이 가능하다. 수열 • 생물법에서는

슬러지를 처리하여 생물 분해 가능한 물질로 변환하는 것을 슬러지의 기질화라고 하

며 에너지절약을 위해서도 낮은 온도영역에서 수열반응을 유도하는 것이 장치나 운전

의 비용을 삭감 할 수 있다.

표 1.6 임계처리를 이용한 감량화 기술

구 분 내 용비

고

개 요

∙ 임계처리란 압력과 온도의 변화에 따른 물의 상태변화 원리를 이용하

여 슬러지를 감량화하거나 슬러지내 부착수를 제거하여 탈수가 용이하

도록 처리하는 공정

∙ 슬러지 감량화를 위한 일반적인 공정의 원리는 온도와 압력이 높아지

면 기체와 액체의 경계가 소실되는 임계점에 도달하게 되고 열수분자에

의한 가수분해 반응(수열반응)이 발생

∙ 이러한 수열반응을 이용해 슬러지중의 유기 고형분이나 세포벽 등의

난분해성 성분을 저분자 및 생물분해성 물질로 전환하여 미생물에 의해

대사․소멸시키는 공정

기본 원리

특 징

∙ 하수슬러지를 고율로 저분자화, 용해화하고 생물공정의 적용성이 높음

∙ 화학약품 첨가 없이 물만을 이용하여 처리하므로 친환경적

∙ 슬러지 용해화시 무기성분의 제거가 가능하고, 생물공정에서의 무기물

축적 방지

∙ 음식물쓰레기 등의 연계처리 가능

∙ 슬러지 처리액 중의 인을 거의 완전하게 회수 가능

용 도

∙ 하수처리시설에서 슬러지 절감

∙ 슬러지로부터 인의 회수

∙ 탈수 및 건조공정을 위한 전처리로 이용

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(5) 가용화 미생물을 사용한 슬러지의 감량화

최근에 슬러지 처리가 문제가 등장하면서 슬러지를 가용화할 수 있는 미생물에 대

한 관심이 증가하고 있으며, 이들을 분리하기 위하여 많은 노력을 하고 있다. 그 실제

는 확인되고 있지 않으나 일부의 연구자들이 호열균 혹은 용균성의 미생물을 분리하

여 실제 응용화를 하고 있다. 그 중에서 호열균을 이용한 사례에 대해 소개하고자 한

다. 최종침전지에서 인출되어진 잉여 슬러지를 호열균으로 활성화되어 있는 반응조로

보내어서 처리한 한 후에 다시 생물학적 처리 반응조로 순환 반송하여 유기물을 분해

시킨 후에 슬러지의 탈수 등으로 확인할 시에 슬러지 감량화를 확인하는 것이 가능하

다. 어떤 종류의 호열균은 체외로 효소를 분비하여 이 효소가 잉여 슬러지 중의 세포

를 가용화하는 것이 가능하며, 가용화된 세포는 미생물이 먹기 쉬운 형태, 이른바 생

물 분해 가능한 유기물에 변화되어 반응조에 반송된다. 호열균 처리된 잉여 슬러지는

폐수처리 반응조에서 미생물에 의해 탄산가스 • 물로 분해되고 소멸화 되어 용적이 축

소된다.

표 1.7 미생물제재를 이용한 감량화 기술

구 분 내 용비

고

개 요∙ 단백질과 지질을 분해하는 미생물을 이용하여 최종 슬러지 발생량

을 감소시키고, 가스발생량을 증가시켜 에너지 자원으로 활용

기대효과

∙ 소화조내 사각지대의 제거효과 및 2단소화조의 침전성 향상

∙ 소화조 상등수의 COD 및 SS의 농도 감소에 따른 수질개선효과

∙ 유기물 감소로 인한 탈수성 증가 및 고분자응집제 사용량 절감효

과와 슬러지 감량화

∙ 가스발생량 증가로 에너지 자원으로 활용 가능

적용실적 ∙ 부산 수영하수처리장에 적용 국 내

(6) 초음파에 의한 슬러지 감량화

초음파를 이용한 하수 슬러지 처리방법은 상기한 초음파의 공동화 현상을 이용하는

기술로써 공동화에 의한 순간적인 고열과 높은 압력에 의하여 발생되는 고압의 jet

stream에 의한 물리적인 세포의 파괴에 의하여 일어난다. BOD나 COD를 포함한 폐수

처리에 있어서 다량의 박테리아, 이른바 잉여 슬러지가 발생되게 된다. 잉여 슬러지의

발생량은 폐수량의 1~10% 정도로, 일반적으로는 응집제첨가에 의해 슬러지를 개량 한

후에 탈수되고 탈수 케이크로서 매립 처분이나 소각 처분되고 있다.　슬러지의 발생량

- 27 -

을 제로에 가까운 레벨까지 감량화 할 수가 있다. 슬러지 감량의 원리는, 세포막을 파

괴해 용해시키며 파괴에 필요한 에너지를 초음파에서 얻을 수 있으므로, 다른 동류 기

술과 비교 처리 성능 • 건설비 • 유지관리비가 현저하게 좋다는 장점을 가지고 있다. 초

음파를 이용하여 슬러지를 파괴시켜 재이용하는 기술은 슬러지의 발생량을 기존의 기

술과 비교 했을 때 20% 정도로 줄일 수 있으며, 무산소 탈질조의 탄소원으로 사용할

수 있을 뿐 아니라 용출 된 유기물이 하수 처리 공정으로 유입되기 때문에 빈 영양

상태인 하수 처리장의 경우 F/M 조절에도 도움이 될 수 있는 기술로 판단된다.

표 1.8 초음파처리를 이용한 감량화 기술

구 분 내 용 비 고

개 요

∙ 액체 매질에 초음파를 조사할 경우 공동화(Cavitation)현상이 발생

하게 되고 이때 발생된 공동화 기포들의 충격파에 의한 높은 온도와

에너지로 슬러지 일부를 파괴

∙ 파괴된 슬러지는 미생물이 쉽게 이용할 수 있는 탄소원으로 전환되

고, 소화조에 주입시 미생물 소화를 도와 가수분해를 향상시킴으로써

소화효율 향상

∙ 생물반응조의 탄소원 공급 및 소화조 효율 개선을 위한 전처리로

많이 사용

기본공

정

특 징

∙ 초음파로 파괴된 잉여슬러지 일부를 탄소원으로 이용

∙ 잉여슬러지를 재활용하여 20～35% 정도의 슬러지 감량화

∙ 고농도 및 난분해성 유기물을 함유한 하․폐수에 매우 효과적

∙ 슬러지 침전 시 발생하는 섬유상 미생물과 가스방울에 의한 슬러지

부상 방지

용 도

∙ 고농도 및 난분해성 유기폐수 전처리

∙ 하수처리장 고도처리공정

∙ 하․폐수 Sludge 소화 전처리

- 28 -

(7) 기타처리법

표 1.9 고열호기성세균을 이용한 감량화 기술

구 분 내 용 비 고

개 요

∙ 가용화처리시설에서 약 55~65℃로 활성슬러지를 가열하면 활성슬

러지를 보호하는 점성물질이 해체되고, 고열호기성세균이 활성화되어

효소를 분비함으로써 세포벽을 파괴하여 원형질 용출

∙ 용출된 원형질은 BOD성분으로 고열호기성세균에 의해 일부 분해

되고 나머지는 생물반응조로 유입되어 최종적으로 이산화탄소로 분

해되고 일부는 생체합성에 사용되어 잉여슬러지 감량화

기본공정

일차침전지 포기조

이차침전지

열교환기 가용화처리장치

반송슬러지

주요설비 ∙ 고열호기성세균, 배양조(가용화조), 열교환기, 송풍기, 가온설비 등

감량화율∙ 분류식 : 90~95%

∙ 합류식 : 85~90%

장단

점

장

점

∙ 운전비가 저렴하고 2차오염이 적음.

∙ 일부 무기화되어 반류부하 감소

단

점

∙ 설치면적이 크고 가용화조에서 취기 발생

∙ 처리수질 악화(COD:10~50%상승, T-P:30~80%상승)

적용실적∙ 하수(산화구법, 표준활성슬러지법 등)

공장폐수 등에 적용일 본

- 29 -

표 1.10 전기분해를 이용한 감량화 기술

구 분 내 용 비 고

개 요

∙ 전기분해를 이용한 하수의 전처리기술은 오․폐수처리, 슬러지 탈수성

향상, 소화효율 증가 등 다양한 목적에 이용

∙ 슬러지 탈수성 향상은 전류에 의해 전기이중층 계면에서 물을 이동시

켜 탈수가 이루어지는 전기침투식 탈수방식과 슬러지의 성질을 개량하

여 부착수(bound water)를 분리시키는 전처리기법으로 이용

∙ 또한 고전압펄스를 이용한 잉여슬러지를 전처리할 경우, 입자성 유기

물질의 가용화 및 슬러지의 세포벽파괴로 인한 소화효율을 증대시키는

공정도 개발

공정도

JWP

Proces

s

특 징

∙ 탈수 전처리공정으로 이용시 탈수시간 감소 및 탈수효율 증대

∙ 슬러지 감량화 및 병원균 사멸 등으로 양질의 소화슬러지 생산

∙ 산화분해와 응집증진 효과가 동시에 이루어짐으로서 고분자응집제 사

용량 감소

∙ 현재는 에너지 투입량이 증대되는 역효과가 커 실용성에 많은 어려움

이 있는 실정

용 도

∙ 고농도 및 난분해성 오․폐수의 고도처리

∙ 하․폐수 슬러지 탈수공정

∙ 탈수 및 소화공정 전처리

- 30 -

표 1.11 금속밀의 마찰력 및 마찰열을 이용한 감량화 기술

구 분 내 용 비 고

개 요

∙ 잉여슬러지를 농축 후 금속밀 파쇄기에 유입시키고 금속밀을 상

호유동시켜 볼과 볼 사이의 마찰력과 마찰열에 의해 활성슬러지의

세포벽을 강제적으로 파쇄하여 가용화시킨 후 생물반응조로 유입

∙ 유입된 슬러지는 최종적으로 이산화탄소로 분해되고 일부는 생체

합성에 사용되어 잉여슬러지 감량화

기본공정

일차침전지 포기조

이차침전지

농축기

반송슬러지

금속밀파쇄기

주요설비 ∙ 밀파쇄장치, 농축기 등

감량화율 ∙ 합류식 : 85~88%

장단

점

장점 ∙ 시설이 콤팩트

단점

∙ 가용화액의 반류부하 큼.

∙ 금속볼의 교체비용 고가

∙ 침강성이 악화되고 전기소비량이 많음.

∙ 처리수질 악화(COD:10~60%상승, T-P:50~90%상승)

적용실적 ∙공장폐수 등에 적용 일 본

3.2.2. 연구개발의 필요성

하수슬러지(sludge) 및 음식물쓰레기(food waste)등의 유기성폐기물(organic waste)

처리에 대한 연구 및 개발은 국내외 적인 주요 관심사 중의 하나이다. 그러나 지금까

지 개발된 초음파(ultrasound), 오존(ozone)처리, 전자빔, 분쇄, 가온처리, 화학적처리

등의 전처리 공정들은 복잡성과 처리과정에서의 문제 발생, 낮은 처리효율, 처리효율

대비 비경제성 등의 단점을 가지고 있다.

이에 본 연구과제에서 「ozone과 cavitation을 이용하여 단순하고 간단한 유기성 폐

기물(하수슬러지+음식물 쓰레기) 가용화 전처리 시스템을 개발」하여 기존 기술대비

효율이 우수하고 경제적인 하수처리장의 외부 탄소원 공급 및 메탄등 유용한 바이오

가스 생산의 전처리로 활용하고자한다.

- 31 -

제 2 장 국내 • 외 관련 기술의 현황

1. 국외 기술현황

하수슬러지 및 음식쓰레기의 처리대안으로 건조-소각(탄화) 또는 퇴비화 재활용 등

이 제시되고 있으나, 슬러지 내 함수율에 의해 이들 공정의 경제성이 좌우되며, 시설

및 처리비용이 고가이고 부가적인 대기오염 방지시설이 필요하므로 합리적이며 저비

용의 슬러지 처리대안이 시급히 요구되고 있는 실정이다. 일본. 독일 등을 중심으로

실용화기술을 소개하면 고온 호기성균을 이용한 슬러지 저감화 기술(S-TE공법)/고온

(250), 고압(55bar) 순산소 및 구리촉매산화 시스템/초음파기술+혐기성소화(메탄발전)/

기계적전처리(고에너지 회전력)+탈수성 향상/열적전처리/ 화학적처리 등으로 감량화

및 에너지 보급을 수행하고 있다.

일본

일본의 경우 소각기술의 발달로 발생되는 슬러지의 대부분을 소각으로 처리하고 있

다. 동경의 갈서하수처리장의 경우 자체 처리시설에서 발생하는 슬러지와 주변의 다른

하수 처리장으로부터 관을 통하여 이송된 농축 슬러지를 탈수하여 소각처리하고 있으

며, 일부는 다른 방법으로 처리를 위한 소규모 연구 설비에 활용하고 있다. 이 처리장

에는 하루 900톤을 처리할 수 있는 4기의 유동층 소각로를 보유하고 있으며, 소각열을

이용하여 건조시킨 후 소각처리하고 있다. 동경 하수도국 주도로 동경시내의 하수처

리장에서 발생하는 슬러지를 이용하여 ‘오데이’란 제품명을 가진 비료를 생산한바 있

으나 시판의 어려움으로 가동이 중단된 상태이다. 그러나 공공녹지에 사용할 경우 상

업화 가능성이 있다. 농축슬러지의 양이 많기 때문에 탈수 슬러지를 1차 처리한 수 생

성된 유동성 슬러지액을 이용하여 메탄발효를 하거나 수소를 생산하는 연구를 수행하

고 있다. 1974년부터 연구를 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

분류되어 출하되는 경량 골재와 거의 비슷하여 많은 용도로의 사용이 가능하며, 특히

하수처리장의 여과 재료로 사용하고 있다.

일본 군마(君馬)縣에 소재한 시마 하수처리장에서 가동하고 있는 오존을 이용한 슬

러지 감량화 기술은 산화구 공법으로 가동 중인 처리장을 2계열로 나누어 제1계열은

일반적인 산화구법에 의하여 처리하고 제2계열(800m3/day)에 오존 발생장치를 설치하

여 발생하는 슬러지를 오존 단독, 황산+오존 처리하여 잔존 오존은 탈기시키는 공정을

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도입하여 운전 중에 있다. 제2계열에서 오존 처리를 한 경우 발생되는 슬러지의 양은

대조 군에 비하여 1/3.4로 감량되는 것으로 보고되었다.

독일

슬러지 자체의 발열량 부족을 도시쓰레기와 혼합하여 소각함으로써 해결하고 있다.

Krefeld 지역의 경우에는 하수처리장에 슬러지 및 도시쓰레기 소각시스템을 갖추고 있

어 소각열을 이용하여 발전과 스팀의 생산을 병행하고 있다. 이 소각 시스템은 다단

스토카 방식을 채택하고 있으며, 연간 210,000톤의 쓰레기와 12,000톤의 건조 슬러지를

연소하여 12MW의 전기를 생산하며, 이와 동시에 시간당 40톤의 스팀을 생산한다. 생

산된 스팀과 전기는 절반정도는 시스템의 에너지로 사용되고 나머지는 주변 지역에

판매하고 있다. Aahen 지역의 하수처리장에는 발생한 슬러지를 퇴비화 하는 소규모의

시험 설비가 설치되어 가동되고 있으며, 주변의 농지에 적용하고 있다.

자기발열 고온호기성시스템은 1960년대부터 연구되어 1970년대 중반에 상용화가 독

일을 중심으로 진행되어 왔으나, 장치의 최적화 및 범용화에 많은 문제점이 제기되었

으나, 1990년대에 산소공급 방법 등의 개선으로 본격적인 상용화가 시작되었다. 대부

분의 상용화는 유럽을 중심으로 이루어지고 있으며, 최근에 미국 및 캐나다에서 기술

을 인정하여 연구가 활발하게 이루어지고 있는 상태이다.

유럽

유럽 17개국을 대상으로 하수슬러지 발생량 및 처리 현황은 약 36.4%가 농경지

등에 재이용되고 있으며, 41.6%가 육상매립, 소각 10.9%, 해양투기 5.2%로 나타났다.

슬러지 재이용율이 높은 국가들로는 덴마크, 프랑스, 영국, 노르웨이, 스페인, 스웨덴,

스위스 등이며 이들 국가의 재이용율은 매년 증가하는 것으로 조사되었다. 육상매립에

대한 기준은 많은 유럽국가에서 2000년 이후부터 강화되는 추세로 매립비율은 점차

감소할 것으로 전망된다. 영국의 경우, 하수슬러지는 연간 약 3,500만톤(건조중량 110

만톤/년)이 발생되며 이 중 약 50%가 농경지 및 토양에서 재활용되고 있고 30%는 해

양투기 되었으나, 98년 이후에는 해양배출을 실시하지 않고 있다. 또한 소량의 슬러지

가 토양의 개량제로 이용되기도 하였다. 또한 1998년에 해양투기가 금지되었기 때문에

슬러지를 효율적으로 재이용할 수 있는 방안에 대한 대책을 마련하고 있는 실정이다.

특히 런던시의 경우 소각로가 준공된 1998년 이후부터는 전량 소각에 의해 하수 슬러

지를 최종 처리, 처분하고 있다.

- 33 -

미국

미국의 경우 톱밥이나 덤불 조각등과 혼합하여 처리하는 슬러지 퇴비화 시설이 200

개가 넘으며, 일반 가정의 정원용 및 공공시설용 비료로 공급되고 있다. 최근에

Geneyst Int., Inc. 에서는 미국의 Colorado에 “Deep Well Oxidation process"의 시범

플랜트를 설치하였다. 이 공정은 농축 슬러지를 습식산화의 방법으로 처리하는 기술로

서, 기존의 습식산화와는 달리 지하 1,500m까지의 수직의 관을 통하여 농축 슬러지와

공기 또는 산소와 공급하면 지열과 중력에 의해 자연적으로 초임계상태에서 산화반응

을 일으켜 COD의 감소효과가 80% 이상, 휘발성 고형분의 90% 이상을 처리할 수 있

는 것으로 보고하고 있다.

미국 Wisconsin주의 A Wisconsin Energy Corporation에서는 하수슬러지, 제지슬러

지 등의 유기성 고형 폐기물을 유리질화 공정에서 무기물은 용융시켜 유리질 골재를

얻고, 유기물은 자체의 열운으로 활용하여, 폐열을 이용하여 스팀과 전기를 생산할 수

있는 시스템을 상업화 하였으며, 현재 연간 35만톤의 슬러지를 처리하는 Fox Valley

Glass Aggregate Plant를 설치 중에 있다. 유리질 골재는 기존의 제품 성능을 능가하

여, 모래대용품, 아스팔트 충진제, 로반재 등으로 활용이 기대되고 있다.

2. 국내 기술현황

대표적인 슬러지 감량화 기술은 아래 표 2.1과 같고 초음파와 오존처리에 관해 설

명한다.

표 2.1 대표적인 슬러지 감량화 기술

구

분생물학적 처리 화학적 처리 물리적 처리 복합처리

종

류

고온호기성 세균

고온호기성 소화균

원생동물의 포식작용

오존처리

전해처리

알칼리 처리

과산화수소수

+철촉매처리

초음파 처리

캐비테이션 파쇄

열처리

임계처리

압밀파쇄

알칼리처리+기계파쇄

감압파쇄+가열+초음파처리

2.1. 초음파를 이용한 슬러지 발생 저감화 기술

수중에 강한 초음파를 조사하면 격렬한 가압, 감압이 반복되어 20KHz의 경우, 초

당 2,000회의 진공부(Cavitation)현상이 발생한다. 이러한 진공부 현상이 액체 상태에

서 이루어지게 되면, 급격히 감압된 액체는 국소적으로 기화되어 미세한 기포(Cavity)

- 34 -

가 발생하며 감압 중에는 기포가 성장하지만 가압분포가 이동하여 감압에서 가압상태

로 전환하면 기포가 압축된다. 압축된 기포는 액화되어 파괴되며 기포가 파괴될 때에

는 국소적으로 매우 강한 충격력과 단열압축에 의한 온도상승이 발생하여 일부 수천

도까지 상승하는 경우도 있다. 이러한 기포 파괴시 국소적인 고온, 고압은 초임계 상

태를 출현시키기도 하고 라디칼(Radical) 반응을 촉진시키기도 하여 특수한 화학반응

을 일으킬 가능성도 지적되고 있다.

이러한 반응을 이용해서 미생물의 세포를 파괴하여 슬러지 내 원형질을 용출시켜

생물 반응조에서 최종적으로 분해하는 이른바 초음파를 이용한 슬러지 저감화 기술이

상용화 되고 있다. 단점으로는 대용량으로 설치 시 비용이 많이 든다.

2.2. 오존을 이용한 슬러지발생 저감화 기술

슬러지가 오존과 접촉 시, 오존의 산화력은 슬러지를 구성하고 있는 세균의 세포벽

을 구성하는 점성물질을 해체하고 세포벽을 구성하고 있는 다당 성분을 분해하거나

저분자화하여 결과적으로는 세포벽을 파괴하게 된다. 이러한 세포벽의 파괴에 따라 세

포내 원형질(단당류 및 유기산 등)이 용출되며 이물질은 일부 오존산화력에 의해 분해

되나 일부분은 이분해성 유기물질(Readily Biodegradable COD)로 변환된다.

오존 주입율이 0.05g O3/g SS까지는 슬러지의 가용화와 이분해성 유기물질의 증가

가 거의 비례관계로 증가되나, 그 이후 슬러지의 가용화는 미미해지나 이분해성 유기

물질의 증가는 계속 증가되는 추세를 나타내고 있다. 이는 가용화 이후 고형물 상태에

서도 오존과 계속접촉하게 되면 이분해성 유기물질이 증가됨을 알 수 있다. 이렇게 이

분해성으로 전환된 유기물질은 생물반응조로 반송되면 기존의 활성슬러지에 의해 산

화 분해되어 무기화되며 일부는 또 생체를 합성하는데 사용된다.

한편, 이러한 오존에 의한 세포벽의 파괴는 오존처리 후의 세균이 삼투압에 의해

팽창되는 것과, 세포벽을 구성하는 다당류의 절단단면이 증가하는 현상으로부터도 확

인할 수 있다. 장점으로는 기존의 처리시설에 설치 가능, 슬러지의 감량화와 동시에

BOD 감소, 난분해성 물질의 처리 가능, 살균이 동시에 진행된다는 것이고 단점으로는

설비비가 많이 들고 오존에 의한 배관 부식 방지를 위한 내식성 재질을 사용해야하

며 배 오존 파괴 설비가 필요하고 운전비용이 많이 든다는 점이다.

- 35 -

표 2.2 슬러지량 조정기구에 관한 기술 일람

방식 / 공동연구기업 원 리

밀파쇄방식

유니티카(주)

습식 비즈밀 파쇄기의 Mill실에 오니를 연속적으로

투입하고, 교반디스크를 고속 회전시켜 비즈 사이에서

발생하는 전단력 등으로 오니를 강제적으로 파쇄한다.

고온미생물방식

(주)신코환경솔루션

(주)히타치플랜트테크놀로지

60~70℃의 호기조건 하에서 활발하게 증식하는

Bacillus stearothermophilus에 속하는 고온미생물이

분비하는 프로테아제 등의 오니 가용화효소에 의해

오니를 가용화한다.

초음파(M)방식

마츠시타 환경공조 엔지니어링

(주)

초음파를 조사하여 캐비테이션에 의한 국소적인 고

온고압의 반사장을 형성시키고 여기에 오니를 작용시

킴으로써 미세화 ·사멸시킨다.

전해방식

수도기공(주)

오니에 NaCl을 첨가하고 전압을 가해 전해함으로써

발생하는 차아염소산 및 감전작용에 의해 오니를 일

부 손상시켜 사멸시킨다.

고압분류방식

얌마(주)

고압펌프에 의해 압력이 상승한 오니를 노즐이 있

는 반응조 안으로 투입하고 노즐 앞뒤에서 발생하는

급격한 압력변화에 의해 캐비테이션을 발생시켜 오니

를 파괴 ·세분화한다.

산화제방식

신니혼제철(주)

환경엔지니어링(주)

마에자와공업(주)

무기계 산화제, 반응보조물질 등을 오니에 첨가시켜

발생한 ·OH라디칼의 산화력을 이용하여 오니 중의 세

균을 살균처리하고 세포벽의 산화분해, 세포질의 저분

자화를 실시한다.

오존방식

구리다공업(주)

오니를 오존 반응탑에 공급하여 오존과 접촉시켜

오존의 강력한 산화력에 의해 오니의 세포벽을 파괴

해서 사멸시킴으로써 생물분해가 가능한 유기물로 변

화시킨다.

초음파(T)방식

(주) 도리시마제작소

초음파를 조사하여 캐비테이션을 연속 발생시키고

전단류와 고온 고압장을 국소적으로 발생시킨 초음파

리액터 안에 오니를 통과시켜 오니를 재기질화한다.

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3. 국내 • 외 시장규모

산업자원부는 2004년 1월 16일 '환경산업포럼'에서 세계 환경시장을 2000년 5180억

달러 규모에서 2005년 7097억 달러, 2010년에는 8635억 달러로 예상, 연평균 5% 이상

급성장할 것으로 전망했다. 환경부의 발표에 따르면 국내 환경시장도 2004년도 국내

환경산업의 매출액이 21조4000억 원으로 2000년 대비 약 90%가 증가하였음을 알 수

있다.이는 2003년 12월 국회 환경노동위원회에서 예측한 2005년 국내 환경시장 규모인

19조 원을 2004년에 이미 넘어선 상황이다. 이 위원회의 2010년 예상치인 32조 원도

2010년 이전에 넘어설 것으로 예상되고 있다.

표 2.3 국내 • 외 시장규모

구 분 현재의 시장규모 예상되는 시장규모

세계시장규모 6,940,000억원 (2010년) 8,850,000억원

한국시장규모 5,700억원 (2010년) 10,000억원

* 산출근거 : 한국기술거래소 시장동향

한편 일본의 노무라 종합연구소는 2005년에 현재 성장산업 중 평균성장률이 가장

높은 분야로 정보통신, 환경, 신유통 물류 등3개 분야를 선정했다. 특히 환경분야는 환

경친화형 제품의 개발, 폐기물 처리, 폐기물 리사이클 등의 분야에서 2010년까지 6%

이상의 평균성장률을 예상하고 있다. 일본의 미쓰비시종합연구소와 미국의 스탠퍼드

연구소도 21세기 유망기술로 에너지기술과 폐기물 분야 및 환경엔지니어링 분야를 선

정하는 등 21세기 환경시장을 매우 관심 있게 보고 있어 환경시장의 이러한 확대가

일시적인 현상이 아님을 뒷받침하고 있다.

- 37 -

제 3장 연구개발 수행 원리

1. 연구개발의 원리

1.1. 캐비테이션 이론

1.1.1 캐비테이션(Cavitation)

유동하는 액체속에서 유속의 증가나 압력의 감소로 유체의 정압이 부분적으로 증기

압이하로 저하했을 때 액체가 증발하여 기포가 발생한다. 이와 같이 액상(liquid

phase)이 기상(gas phase)으로 상변화(phase change)를 하고, 액상과 기상이 공존하

는 이상유동(two-phase)현상을 캐비테이션이라 한다.

캐비테이션은 19세기 말 영국의 구축함 HMS Dearing 호가 예상보다 속도가 떨어

지는 원인을 연구하던 중 발견되고, 1895년 R. E. Froude에 의해 명명되었다. 캐비테

이션이 펌프나 밸브와 같은 유첵기계에 발생하면 성능의 저하, 소음, 진동의 발생, 구

성부재의 침식(erosion)이나 손상(damage)등을 가져오는 원인이 된다. 이 때문에 캐

비테이션을 동반하는 유동의 해명과 예측기술의 향상은 고속 유체기계 설계 및 개발

에 있어서 중요한 과제가 되고 있다.

1.1.2. 캐비테이션의 종류

캐비테이션의 종류와 모양은 유동조건에 따라 다르고, 또 그 종류에 따라 영향도

다르다. 캐비테이션은 보통 발생 형태에 따라 다음과 같이 분류된다.

(1) 버블 캐비테이션 : 주로 저압부에서 발생하고 하류쪽으로 유출하면서 성장 및 붕

과하는 구(sphere)형에 가까운 기포를 말하며, 캐비테이션의 거동으로 보아 진동

캐비테이션 이라고 한다. 기포가 크며 반구형상이 된다.

(2) 시트 캐비테이션 : 부재 표면에 부착하여 발생하는 기포로 보통 전연(leading

edge) 부근에 선단을 갖고 기포 후단은 유동과 함께 형상이 변화한다. 거동상 고

정된 캐비테이션 이라고도 한다.

(3) 보텍스 캐비테이션 : 와류 중심의 저압부에 발생하는 기포로, 다수의 기포 열이나

집합체로 구성된 면사 형상의 캐비테이션을 말한다.

(4) 기포군 캐비테이션 : 다수의 기포의 집합체로 시트 캐비테이션 등의 후단에서 유

동중에 방출되는 기포군을 의미한다. 침식이나 높은 소음을 유발할 위험성이 크다.

또한 발생장소에 따라 부압면 캐비테이션(cavitation on suction side), 압력면 캐비

테이션(cavitation pressure side), 누수 캐비테이션(Leakage cavitation), 팁 보텍스 캐

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비테이션 (Tip vortex cavitation)으로 분류하기도 하며, 유동형태에 따라 캐비테이팅

유동(cavitating flow), Cavitation surge, 역류 보텍스 캐비테이션(vortex cavitation in

revise flow), 선회 캐비테이션 (rotating cavitation), 분류 캐비테이션 (cavitation

liquid jet)등으로 분류하기도 한다.

1.1.3 캐비테이션의 특징

캐비테이션을 동반하는 유동을 캐비테이팅 유동이라 하며, 다음과 같은 특징을 갖

는다.

(1) A phase change phenomena

(2) Mixed incompressible/compressible nature

(3) Large range of sound speed

(4) Large variations of the local mach number

(5) Wide range of void fraction

(6) Complicated unsteady flow

본 연구에서 적용된 밸브 유동장은 (1)과 (5)에 해당되는 매우 복잡한 유동장이다.

1.1.4 캐비테이션의 침식

캐비테이션 기포가 압력이 회복하는 곳에서 기포가 붕과, 소멸할 때 충격압이나 마

이크로 제트가 발생하여 유체기기의 부재표면을 손상시킨다. 이를 캐비테이션 침식이

라 한다. 캐비테이션 손상은 유체역학과 재료 강도학의 경계영역의 현상이다. 주요 요

인인 캐비테이션 붕괴는 통계 및 확률적이고도 고속 미시적인 복잡 현상으로 이론적

인 해명이 곤란하다. 따라서 오늘날 까지도 손상을 이론적으로 정확히 예측하는 것은

불가능하다.

캐비테이션 손상 면을 살펴보면, 처음에 침식 면에 요철이 증가하여 까칠까칠한 정

도이지만 이것이 이윽고 작은 점침식(pit)가 연결된 해면상의 침식면이 형성된다. 눈으

로도 관측될 정도의 뚜렷한 침식이 일어나기 까지는 많은 시간이 경과되므로 손상 면

에는 기포 붕괴 압이 다수 반복 작용 됨 음을 알 수 있다. 캐비테이션 침식은 진동 •

소음과는 달리 캐비테이션이 발생하자마자 곧 인식되는 것은 아니지만 손상이 심한

경우 운전불능 상태에 이르게 된다. 이런 캐비테이션 침식은 super-cavitation(유체기

계에서 의도적으로 발생되는 캐비테이션)이 되기 이전의 상태에서 현저하게 나타나므

로 밸브의 운전상 특히 주의가 필요하다.

캐비테이션 침식이 심한 경우에는 설계를 변경하거나 운전을 제한하거나 침식한 부

위를 일종의 소모품으로 생각하고 교환하거나, 내 침식성이 뛰어난 재료를 사용하는

- 39 -

등의 대책이 필요하다. 그러나 무엇보다도 중요한 것은 장시간 운전 후에 있을 침식량

을 과거의 실적이나 실험 데이터 등을 통하여 미리 예측하는 일이다.

1.1.5 기포의 붕괴

기포의 붕괴는 복잡한 물리현상으로 기포내외의 정압차이로 인하여 성장, 수축, 재

팽창, 재수축을 거듭하면서 붕괴해간다. 기포가 수축했다가 재팽창하는 것은 수축하는

과정에서 기포가 순간 과수축될 때, 기포 중에 포함되어 있는 공기 등의 가스 정압이

더 높아지기 때문이며, 이 때 강한 충격파를 동반하다.

구형기포가 벽면근방에서 붕괴하는 경우는 반드시 구형인 상태로 붕괴한다고는 볼

수 없다. 보통 벽면근처보다 반대편이 더 빨리 찌그러들고 기포가 도넛 형이 되면서

벽면을 향해 액체제트 즉 마이크로 제트를 발생한다. 이것이 벽면 부재에 pit를 형성

시키는 주원인이다. 이와 같은 기포붕괴에는 벽면과의 상대위치가 중요한 인자가 된

다. 보통 고체표면에 전달되는 압력은 충격파 마이크로 젯, 울트라 젯의 세 가지의 이

론이 있다.

1.1.6 기포 붕괴압 크기와 분포

기포의 붕괴 시간은 고작 2ms정도이지만 최대 붕괴압은 1GPa이상에 달한다. 이 값

은 파괴응력 1GPa 이상인 공구강이나 stellite 등 고강도 재료의 표면을 충격적으로 파

괴시키는데 충분한 값으로 이들 재료가 캐비테이션에 의해 충격적으로 pit를 형성하고

있음을 납득할 수 있는 일이다. Knapp의 실험 보고와 같이 보통 캐비테이션 유동에서

는 다수의 기포가 기포군(cloud)형태로 붕괴하여 기포 하나가 갖는 조건에 따라 다양

한 크기의 붕괴압으로 침식을 유발한다.

1.1.7 캐비테이션 침식에 영향을 주는 인자

캐비테이션 침식에 영향을 주는 인자는 표 3.1과 같이 액체유동에 관계하는 것과

액체의 물리적 특성에 관계하는 것, 재료의 기계적, 물리 • 화학적 특성에 관계하는 것

들이 있다.

- 40 -

항목 인자

유동인자 캐비테이션 계수, 속도, 압력, 진폭, 진동수, 기기의 형상과 치수

액체인자 온도, 중기압, 음향 임피던스, 표면장력, 점도, 압축성, 부식성(pH),

공기 함유도, 캐비테이션 핵의 분포

재료인자

기계적성질 (탄성계수, 경도, 비틀림에너지, 항복점, 피로강도)

금속학적 성질 (조직, 결정입자, 결정 구조, 가공경화성, 잔류응력)

표면상태 (표면처리, 표면거칠기)

표 3.1 캐비테이션 침식에 영향을 주는 인자

1.2 사고사례

1.2.1 캐비테이션에 의한 부식

일례로 밸브 설치후 운전을 시작해서 얼마 지나지 않아, 특히 30m 이상의 수두의

밸브에 니들 정점, 후부라이너, 밸브 바로 아래의 방류관에 일률적인 손상이 발견되었

다. 대부분 그 손상정도는 매우 심하고 방류작업을 계속하는 것은 위험할 정도로 생각

되었다. 이 파괴현상은 절대압력의 저하(고도의 진공)와 관련 있을 것으로 인식되었다.

이 손상을 없애기 위해 여러 가지 시험이 행해졌지만 효과가 없었다. 최초에는 손상개

소에 “퍼티”를 붙여 수리했다. 콘크리트 면은 파서 오목한 부분에는 콘크리트 모르타

르를 투입하고 금속표면의 구멍에는 “스무스 온” 이라고 하는 철분, 염화암모늄, 유황

의 혼합물로 충진시켰다. 그러나 이 충진물도 불완전하였기 때문에 용접에 의해 구멍

을 메우는 시도가 이루어졌다. 대부분 예외 없이 충진물은 모재보다도 빨리 부식해버

렸다. 이 부식의 원인이 압력저하에 기인한 것이라는 것을 안후에는 압력저하 현상을

없애기 위한 시도가 행해졌다.

여러 종류의 크기의 콘크리트 라이너를 밸브하류의 방류관 중간에 설치하고 하류의

확산을 막고 압력을 높이는 시도가 행해졌다. 라이너의 두께가 충분하고 방류관의 끝

단에서는 밸브를 전개로 운전하는 경우에는 손상이 발생하지 않았다. 그러나 반개의

경우에는 효과가 없었다. 또한 압력저하를 막기 위해 공기도입을 시도해보았다. 공기

관을 여러개 설치해보았지만, 그 위치가 적당하지 않아서 대부분 성공하지 못했다. 여

러 가지 시험에 실패한 결과 방류는 가능한 한 좁은 범위에서 행하게 되었다. 저수지

의 용도가 다목적으로 됨에 따라 밸브를 교축하여 운전하게 되는 것은 곤란하게 되었

다.

1.2.2 캐비테이션 부식에 의한 누수

일부댐의 사용되는 비상방류밸브중 사용되는 1,500mm의 버터플라이 밸브에 대한

- 41 -

현장 진동 측정 결과 밸브의 개도 30～70%사이에서 2.5mm/s의 진동이 수평과 수직에

서 일어나고 있었다. 이러한 원인은 밸브 시트의 개폐에 의한 캐비테이션 결과로 판단

된다. 본문에서 언급되었지만, 방류용 형태로 설치된 버터플라이 밸브의 캐비테이션은

관벽면을 통하여 전파되고 있음을 알 수 있다.

그림 3.1 오리피스 교축부와 난류발생

1.2.3 진동으로 인한 밸브 전동기 고장

영천댐의 경우 비상방류밸브로는 1,200mm의 버터플라이 밸브를 사용하고 있는데 현

장 진동 측정 결과 밸브의 개도 30～70%사이에서 상당히 심하게 일어나고 있음을 알

수 있었다. 이러한 원인은 밸브 시트의 개폐에 의한 캐비테이션 결과로 판단된다.

1.2.4 진동으로 인한 디스크 지지 가이드 이탈

하류취수탑에 연결되는 하천유지수 밸브(1,200mm)의 노후는 소음과 진동의 발생 원인

이 되고 심할 경우 디스크지지 가이드가 밸브에서 이탈 될 경우 소수력 설비가 소손되는

대형사고 및 하천유지수 공급 불가 등의 사태가 발생할 수 있다.

2. 캐비테이션이 발생되는 운전조건

2.1 캐비테이션수()

노즐의 경우 상류측, 그리고 목부위, 하류측간의 압력차가 크면 p1>>p2>>pw가 되

- 42 -

기 때문에 아래와 같은 식이 가능하다.

≅

여기서, p1은 노즐 상류측 압력, p2는 노즐 하류측 압력, pw는 유체의 포화수증기

압을 나타낸다.

즉, 캐비테이션수()는 노즐의 경우 상류측 압력에 대한 하류측 압력비율로서 가

크다는 것은 캐비테이션이 일어나기 어려운 상태라는 말한다.

2.2 캐비테이션 발생 적정범위

는 0.001~0.5가 가능하나 0.01~0.1이 바람직하다고 함. 0.001미만인 경우 캐비테이

션붕괴시 주위와의 압력차가 낮기 때문에 효과가 적고, 0.5보다 큼 경우는 압력차가

낮아 캐비테이션이 발생하기 어렵다.

2.3 유속의 적정범위

분사액의 유속은 1~200m/s이 가능하나 1m/s인 경우 압력저하가 낮고 200m/s 보다

큰 경우 고압을 필요로 하여 특수장치가 요구되므로 비용적으로 불리하다.

2.4 압력의 적정범위

노즐 또는 오리피스관을 통해 분사액을 분사하여 캐비테이션 발생시킬 때에는 분사

액(상류측 압력)은 0.01~30Mpa이 가능하나 2~10Mpa가 바람직하다. 0.01Mpa미만의 경

우 압력차를 발생하기가 어렵고 30Mpa이상인 경우 특수용기나 특수압력펌프등이 요

구되며 소비에너지가 커지기에 비경제적이다.

2.5 수온과 증기압 관계

캐비테이션은 주어진 온도에서 포화수증기압 이하가 될때 발생하며 수온이 높을 수

록 발생 가능성이 높다. 그림처럼 수온이 50(℃) 이후로 급격히 포화수증기압이 증가

하여 캐비테이션이 발생하기가 쉬워진다.

표 3.2 온도와 증기압의 관계

온 도

(℃)0 10 20 30 40 50 60 80 100 120

증기압

(mH2O)0.062 0.125 0.238 0.433 0.752 1.258 2.032 4.830 10.332 20.245

- 43 -

y = 0.0906e0.048x

R2 = 0.9854

0

5

10

15

20

25

30

35

0 20 40 60 80 100 120

수온(℃)

증기

압(m

H2O)

그림 3.2 수온과 증기압의 관계

- 44 -

- 45 -

제 4 장 연구개발수행 내용 및 결과

1. 연구개발수행 내용 (실험 장치 및 방법)

1.1. 컴퓨터 시뮬레이션(CFD)

1.1.1 컴퓨터 시뮬레이션 개요

컴퓨터 시뮬레이션은 유체와 열전달과 관련된 제반 물리적 현상을 수학적 접근을

통해 컴퓨터를 이용하여 해석하는 분야로서 기계, 항공, 및 물리 그리고 최근에는 건

축 설비에 이르기까지 방대한 적용 영역을 가지고 있다. 컴퓨터 시뮬레이션은 유체,

열 그리고 물질전달을 지배하는 편미분 방정식들의 해 (solutions)를 구함으로써 다양

한 물리 값 (기류, 온도 및 기타 오염물질 분포, 연소 등) 들의 특성을 파악한다.

최근 컴퓨터의 급속한 발전으로 불과 10년 전에 불가능한 직접모사법(DNS) 및 대

와동 모사법(LES) 등이 가능하게 되었고 유체와 관련된 대부분의 영역(자동차, 항공,

전자(반도체), 전기, 바이오, MEMS, 환경 및 건축 등)에서 폭 넓게 활용되고 있다.

기존 기계 및 항공에 국한된 해석영역이 다양한 영역으로 확장되면서 열분해용융시설

과 관련된 제반 시설들에 대한 적용이 활발해 지고 있다.

본 연구에 적용된 밸브내 유동장 문제는 난류, 캐비테이션, 카르만 보텍스 등과 같

은 복합된 복잡한 물리적 특성을 가지고 있기 때문에 비용이 많이 들어가는 특성상

실험이 용이하지 않으므로 컴퓨터 시뮬레이션으로 정성적 자료 도출 및 데이터베이스

확보가 매우 중요하며 비상방류용 밸브로 버터플라이 밸브의 사용에 따른 문제 파악

에 있어 경제적인 이득과 더불어 물리적 특성을 얻을 수 있다.

따라서, 본 연구용역에서는 소규모 댐의 비상방류 및 유지보수용 밸브 적용에 있어

고양정 대유량에 적합한 할로우 제트 밸브, 콘 밸브와 부속설비에 대하여 밸브의 종

류, 관경, 댐 규모, 유속 등의 특성을 고려하여 밸브 내외부 제 현상(캐비테이션, 디스

크 채터링, 진동 등)파악을 위한 컴퓨터시뮬레이션을 통하여 고유속에 따른 몸체 안정

성 검토, 버터플라이 밸브의 적용시 문제점 등을 종합적으로 검토 • 분석하고자 하였

다.

1.1.2 컴퓨터 시뮬레이션 기법

컴퓨터 시뮬레이션 해석에 사용된 Solver는 CFX-10이며, 유체기계 해석에 최적화

된 상용코드인 CFX-TASCflow의 기술과 다상유동해석, 화학반응해석, 연소해석 등의

목적으로 최적화된 CFX-4를 결합한 형태의 Fully implicit pressure-

based AMG coupled solver 이다. 이에 따른 구조는 그림 4.1과 같다.

- 46 -

CFX-LauncherCFX-Launcher

Geometry Modellingand Grid Generation

Solver Pre-processing

CFX-

Solver

CFX-

SolverCadsolutions

Cadsolutions

Import

exportAnsysAnsys

Solid-fluid coupled problem analysis

Hexa, Tetre mesh

ICEM-

CFD

ICEM-CFD

CFX-

Pre

CFX-

PreAVSAVSCFX-

Post

CFX-

Post

DEF Libraries/output files

CFX-LauncherCFX-Launcher

Geometry Modellingand Grid Generation

Solver Pre-processing

CFX-

Solver

CFX-

SolverCadsolutions

Cadsolutions

Import

exportAnsysAnsys

Solid-fluid coupled problem analysis

Hexa, Tetre mesh

ICEM-

CFD

ICEM-CFD

CFX-

Pre

CFX-

PreAVSAVSCFX-

Post

CFX-

Post

DEF Libraries/output files

그림 4.1 CFX10의 구조

본 연구에 적용된 CFX의 구조은 그림 4.2에서 보는 바와 같이 전처리과정, 주처 리

과정 및 후처리과정으로 나누어지게 된다.

- 전처리 과정

격자생성(Hexahedral mesh, Tetra mesh)

Structure/Unstructured Grids

경계조건 부여

모델링 부여

- 주처리과정

지배방정식의 해 (그림 4.2참조)

- 후처리과정

XY Plotting, Animating Graphics, Visualization

CFD결과를 표시하기 위한 그래픽 툴

그림 4.1에서 나타낸 그림은 컴퓨터시뮬레이션의 주처리 과정 프로세스를 의미하는

데 생성된 격자와 운동량방정식과 같이 문제를 해결해 나가는 방법을 나타내고 있다.

반복적으로 해를 풀어가면서 어느 정도 해가 정확한 답으로 접근해 나가는 것을 수렴

(convergence)이라고 하고, 그 반대의 경우를 발산(divergence)라고 한다. 만약의 경우

발산이 일어날 경우는 해를 정확히 얻지 못하기 때문에 처음부터 다시 시작하여야만

- 47 -

한다.

그림 4.2 일반적인 CFD의 구조

그림 4.3 주처리 과정의 프로세스

- 48 -

1.1.3 지배방정식

유기성고형물가용화 장치내에서의 유동특성을 해석하기 위하여 적용된 지배방정식

은 식 (5.1)과 식(5.2)과 같다. 식 (5..1)은 연속방정식이며, 식 (5..2)는 운동량방정식으

로 F=ma를 의미한다.

∂u j

∂xj = 0 (5.1)

ρu j

∂u i

∂xj= -

∂p∂xi

+∂

∂xj [μ e(∂u i

∂xj+

∂u j

∂xi)] (5.2)

여기서, u i는 속도벡터이고, ρ는 밀도(density), μ

e는 유효점성계수(effective

viscosity)이며, p는 각각 정압을 나타낸다.

유기성고형물가용화 장치에서 유동장 문제에 대한 지배방정식을 해석하기 위하여

유한체적법을 이용하여 비엇물림 격자계(non-staggered grid system)에 대한 이산화

방정식을 구하였다. 지배방정식의 대류항은 high-resolution방법을 이용하였다. 또한,

운동량방정식의 압력항 처리는 압력수정방법을 이용하는 SIMPLE-C방법을 적용하여

압력수정에 관한 근사 이산화방정식을 압력과 속도의 상관관계를 고려한 연속방정식

의 이산화방정식으로부터 구하였다.

난류모델인 경우 정확한 수치결과의 확보를 위해서는 일반적으로 점성저층(viscous

sublayer) 영역을 안정적으로 처리 할 수 있는 최적화된 난류모델의 적용이 필요하다.

따라서 본 연구에 적용한 난류모델은 박리(separation)에 의한 2차 유동(secondary

flow)의 정확한 모사와 저 레이놀즈 영역인 벽면 경계층에 의한 영향을 정확히 모사하

기 위해 1994년 Menter에 의해 제안된 k-ε 모델 모델을 적용하였다.

본 연구에서 적용된 경우에 사용된 방정식들을 정리하면 다음과 같다.

◎ 일반적인 유동장 문제

연속방정식(식 5.1), 운동량방정식(식 5.2)

◎ 캐비테이션 문제

Two-phase유동문제(Water, Vapor) - VOF(Volume of Fraction)

캐비테이션 모델

(5.3)

본 연구에서는 유기성고형물가용화 장치내에서 발생하는 유동해석을 위해 CFX-10

- 49 -

조 건 case1 case2 case3 case4 case5 case6 case7

유입펌프

(lpm)

유입 600 600 200 600 l 600 1000 1000

유출 대기압 대기압 대기압 대기압 대기압 대기압 대기압

흡입순환

펌프(lpm)

유입 200 200 600 200 400 200 400

유출 200 200 600 200 200 200 200

수온(℃) 20 50 50 20 50 50 50

캐비테이션조건 이용 이용 이용 이용 이용 이용 이용

특수조건내부구조

없을때

에서 제공하는 식 (5.3)과 같이 Cavitation 모델(Rayleigh Plesset 모델)을 적용하였으

며, Water 20°C의 saturation pressure를 2,339Pa로 설정하였다.

1.1.4 계산조건과 경계조건

본 연구에서는 컴퓨터시뮬레이션을 위하여 표 4.1과 같이 운전조건에 따라 유동해

석을 수행하였다.

표 4.1 계산조건

※ 경계조건 설정

o case 1 : 장치고안시 고려했던 펌프유량과 수온 조건

o case 2 : case1보다 수온이 높을 때

o case 3 : case1의 유입펌프 유량과 흡입펌프의 유량을 바꿨을 때

o case 4 : case1에서 내부구조물이 없을 때

o case 5 : case1과 비교하여 흡입순환 펌프의 유량이 늘어나고, 가압등으로 유출되는

량이 줄어들고, 수온이 높은 상태

o case 6 : case1과 비교하여 최대의 펌프운전 범위조건인 유입유량이 1000 lpm이며

수온이 높은 상태

o case 7 : case6과 비교하여 가압등으로 유출되는 유량이 줄어든 상태.

운전조건에 따른 연구를 수행하기 위하여 경계조건은 표 4.1과 같이 설정하였다.

그림 4.4의 경우는 대부분의 캐비테이션을 고려한 것이므로 VOF(체적비)의 값을 표 4.2

와 같이 설정하여야 한다. 중요한 것은 유동장내에서는 VOF의 값은 항상 1이 되어야

한다.

- 50 -

그림 4.4 유기성고형물가용화 장치 경계조건

표 4.2 다상유동문제의 VOF설정 값

유체 입 구 영 역물 1.0

증기 0.0 합 1.0

그림 4.4에서 수중펌프는 공급하는 “유입펌프”를 의미하고 순환펌프는 “흡입순환”

되는 펌프를 나타낸다.

현재 실험실규모장치를 모사하여 규모를 크게 하여 시뮬레이션을 한 결과 주요 크

기는 다음과 같다

o 직경 외통 : 450mm, 내통 : 275mm

o 높이 외통 : 450 mm, 내통 : 850mm

o 펌프 유입펌프(수중펌프) 유량변화 : 200, 400, 1000 lpm

흡입순환펌프 유량변화 : 200, 400 lpm

case4는 그림 4.5처럼 내부장치가 있을 경우와 없을 경우를 구분한 것으로 캐비테이

- 51 -

션발생 조건이 구조물과 펌프 등의 영향을 구분하였다.

그림 4.5 반응기 내부구조물 유무에 따른 형상 비교

1.1.5 계산 격자

현재까지 잘 알려진 대로 CFD 해석에 있어 계산격자의 중요성은 해석결과의 신뢰

성 및 해의 수렴성에 직접적인 영향을 미치고 있다. 그렇다고 해서 조밀한 격자의 보

장은 계산시간과 처리시간의 증가로 경제성이 떨어진다. 본 연구에서는 우수한 계산격

자의 확보를 위해 격자 전용생성 툴인 ICEM-CFD 10을 사용하여 격자생성을 수행하

였다. 유기성고형물가용화 장치내의 복잡한 형상을 정확히 반영하는 우수한 품질의 계

산격자를 효율적으로 생성하기 위해 그림 4.6과 같이 Tetra타입의 격자요소를 사용하

였으며, 전체 격자 노드 수는 각각의 경우 약 120만 노드로 하였다.

CFD 해석에 적용될 난류모델로써 밸브시트를 통과하는 작동유체의 복잡한 3차원

유동현상을 정확히 해석하기 위해 k-ε 모델을 적용하였고 이를 위해 경계층 영역에

대한 해석격자의 공간해상도를 높게 확보할 필요가 있으며, 통상 y+값을 기준으로 10

이하의 공간해상도를 확보하였다.

- 52 -

그림 4.6 계산격자 (tetra-prism)

1.2 실험장치

1.2.1. 가용화 장치

폐기되거나 버려지는 유기성폐기물을 그림 4.7과 같은 기계적 장치를 구성하여 처

리하게 되면 폐기물 폐기비용절감은 물론 슬러지와 유기성폐기물 양을 줄이고 향후

고부가 바이오가스(수소 등) 생성이 용이하게 된다. Cavitation 현상을 이용한 가용화

장치는 그림 4.7과 같이 크게 유입조, 반응조, 유입펌프, 흡입순환펌프로 구성되어 있

다. 물리적 Cavitation을 유도하기 위해 장치의 구성은 노즐장치, 선회류 유도, 가용화

촉진장치로 구성되었다. 상세한 사양은 표 4.3과 같다.

그림 4.7 전체 가용화장치 공정도

- 53 -

NO. 구분 사양

1 유입조 전체 용량 :40L

2 수중펌프저사양 : 145L/min, 250W

고사양: 170L/min, 400W

3 유입구 1 32A → 12A

4 가용화 반응기(처리조) 25 L

5 유입조 반송 32A

6 흡입 순환 펌프저사양 : 25L/min, 350W

고사양 : 50L/min, 2.2KW

7 유입구 2 32A → 12A

표 4.3 전체 system 장치의 사양

Cavitation에 의한 가용화를 일으키기 위해 개발되어진 본 실험 장치는 그림 4.8과

같다.

.

그림 4.8 가용화 장치

원수조에 40L의 원수 슬러지를 채운 후 수중펌프를 작동하여 반응기 내부로 슬러

지가 들어가도록 한다. 반응기(총 25L)에 채워진 슬러지는 가압펌프의 작용으로 가용

- 54 -

화 장치 전체의 교반과 순환이 일어나게 한다.

그림 4.9는 본 장치내에서 가용화가 일어나는 과정을 알기 쉽게 표현한 것이다.

그림 4.9 물리적 가용화장치 개념도

1.2.2. 오존발생장치

오존을 이용한 슬러지 가용화 실험 장치는 아래 그림에 나타난 바와 같이 크게 오

존 발생 장치(그림 4.10)와 반응조, 배오존장치(그림 4.11)로 나눌 수 있다.

그림 4.10 오존 발생장치 그림 4.11 배오존 장치

- 55 -

그림 4.12 탈질 미생물 배양조

본 실험에 사용한 오존은 산소발생기로부터 발생된 산소의 아크 방전을 통해 생성

되었으며 오존 접촉조 하부에 위치한 산기석을 통하여 슬러지와 접촉하도록 하였다.

산소 주입량을 3L/min으로 하여 오존이 10g/hr로 발생하도록 하였다. 오존 발생장치

에 대한 자세한 사양은 표 4.4 에 나타내었다.

표 4.4 오존 발생장치 사양

1.2.3. 탈질 미생물 반응조

탈질 미생물의 증식시키기 위한 반응조는 그림 4.12와 같이 먹이 유입조, 반응조,

침전조로 구성되어 있다.

- 56 -

유입수는 표 4.4과 같은 조성으로 인공 폐수를 제조하여 사용하였다. 탄소원은

Glucose를 사용하였으며, CODcr이 255mg/L, 질소는 22mg/L, 인은 5.1mg/L로 C/N비

율이 11이 되도록 운영하고 기타 미생물 성장에 필요한 무기염류 등을 첨가 하였다.

표 4.5 인공폐수의 조성 표 4.6 인공폐수의 유입농도

(20L기준)

성분 중량(g) 　 Item 농도(mg/L)

C6H12O6 5.10 　 BOD5 140

Starch soluble 0.18 　 CODcr 255

KNO3 3.00 　 T-N 22

KH2PO4 0.450 　 T-P 5.1

NaHCO3 6.00 　 SS 114

탈질 반응조는 표 4.7과 같은 조건으로 운전되었다. 반응조가 정상적으로 잘 운영되

고 있는지 판단하기 위하여 주 2회 유입수 및 유출수의 질산성 질소를 측정하여 처리

효율을 측정하였다. 또한 DO, PH, MLSS, ORP를 주기적으로 측정하였다.

약 2개월 동안의 미생물 적응기간이 경과한 이후에 정상상태에 도달한 반응조의 운

전 결과는 다음과 같다. SCOD는 제거효율 95% 이상이었으며, 15 mg/L이하로 처리되

었다. 침전조에서는 sludge wash-out현상이 발생하지 않았으며 유출수의 SS는 5

mg/L이하를 유지하였다.

반응조의 SCOD의 제거는 탈질박테리아에 의하여 NOx-N을 전자수용체로 하는 무

산소호흡이 진행되면서 탄소원으로 사용된 결과이다. NO3-N의 경우 유입농도가 23

mg/L일 때 유출수의 농도는 3~4mg/L을 보여 84%의 안정적인 제거효율을 보였다.

- 57 -

표 4.7 탈질 반응조의 운전 조건 및 운전결과

항목 Conc. Unit 항목 Conc. Unit

pH 6.5~7.5 처리용량 20.0 L/day

Temp20~2

5℃ 폭기조용량 8.6 L

MLSS

폭기조 2000 mg/L 유입유량 13.89 mL/min

반송농도 8000 mg/L 유출유량 13.89 mL/min

폐기농도 8000 mg/L간헐폭기/비폭기시

간40min/20min

BOD

Influent 150 mg/LORP

비폭

기 -100~450 mV

Effluent 8.0 mg/L

Removal(%) 95%30분후

슬러지부피250 mL/L 유지

COD

Influent 225 mg/L SVI80~150

(≒120) 125

Effluent 12.0 mg/L SDI 0.7이상 0.8

Removal(%) 95% 　 HRT 8.26 hr

SS

Influent 100 mg/L F/M 비 0.17 Kg BOD/Kg

MLSS·day

Effluent 5.0 mg/L BOD용적부하 0.35 Kg

BOD/㎥·day

Removal(%) 95% 　 반송률 0.50 Q

T-N

Influent 23 mg/L 반송유량 6.94 mL/min

Effluent 3.5 mg/L SRT 13 day

Removal(%) 84% 　

슬러지폐기량

0.00017 ㎥/day

T-P

Influent 5.0 mg/L 0.0072 L/hr

Effluent 2.5 mg/L 7.17 mL/hr

Removal(%) 50% 　 0.12 mL/min

- 58 -

1.2.4. 메탄 미생물 배양조

메탄 미생물 배양조는 원형으로 유효용적은 6L(총 용적 6.8L)이고 아크릴로 제작되

었으며 반응조 내의 교반을 위해 모터를 이용하여 40rpm에서 운전하였다.

반응기가 설치된 항온조는 공기 가열식 히터로 온도를 유지하였고, 연구기간동안

35±1℃로 일정하게 온도가 유지되도록 하였다. 발생된 가스는 counter weight가 부착

된 부상식 원통형에 포집하여 가스량을 측정하였고, 가스 포집시 가스의 용해를 막기

위하여 황산을 가한 포화식염수(pH 2)를 채웠다. 반응기 상부에 rubber septa를 설치

하여 생성가스의 성상분석을 할 수 있도록 하였다.

그림 4.13 메탄 생성 반응조

- 59 -

1.3. 실험 재료

가용화(Cavitation) 실험에 사용된 슬러지는 남양주시 H하수처리장의 2차 침전슬러

지를 사용하였다. 슬러지의 원수를 분석한 후 그 성상의 변화가 일어나지 않도록 4℃의 냉장고에 보관해 두었다. 가용화 실험에 사용된 슬러지의 수질특성은 표 4.8과 같

다.

표 4.8 슬러지의 수질적 특성

항 목 폐활성 슬러지

Total suspended solid (mg/L) 3800 ± 500

Volatile suspended solid (mg/L) 3100 ± 200

Total COD (mg/L) 3800 ± 70

Soluble COD (mg/L) 70 ± 30

탈질 미생물 반응조에 사용된 슬러지는 남양주시 H하수처리장의 최종 침전지에서

반송되어지는 슬러지를 채취하여 사용하였다. 반응조의 원활한 운전을 위하여 SS가

2000mg/L가 되도록 희석하였다.

메탄 미생물 생성을 위해 사용된 식종균은 경기도 의정부 소재의 하수·분뇨 처리장

의 혐기성 소화조에서 채취한 미생물을 중력침강에 의해 농축시킨 후 사용하였다.

MLSS농도는 초기 VSS 농도가 4000mgVSS/L가 되도록 조절하여 주입하였다.

- 60 -

1.4. 실험 방법

1.4.1. Cavitation에 의한 가용화 실험

가용화 장치에 대한 효과를 알기 위해 실험 조건에 변화를 주어 성능에 대한 비교

분석을 하였다. 그 실험조건은 표 4.9와 같다.

표 4.9 가용화 실험의 실험 조건

Run number 실험 조건 pH

Run1단순 원통 반응기(반응기1)

+저 사양펌프(펌프1, 145L/min, 250W)7

Run2단순 원통 반응기(반응기1)

+저 사양펌프(펌프1, 145L/min, 250W)7

Run3공동화 장치용 반응기(반응기2)

+고 사양펌프(펌프2, 170L/min, 400W)7

Run4 , 5 슬러지의 pH조절(8.5, 9.5) 후 가용화 8.5 , 9.5

여기서 단순원통 반응기란 반응기 내부에 특별한 구조물이 들어 있지 않은 것을 말

한다. 공동화(Cavitation) 장치용 반응기는 반응기 내부에 공동화 현상을 위하여 복잡

한 구조물이 부착된 것을 말하며 이는 반응기 내부의 공동화를 적극적으로 유도하게

된다. 가용화 실험을 통하여 다음의 조건들에 대한 비교 결과를 구하게 된다.

① 반응기 형태 및 펌프사양에 따른 가용화

: 펌프의 힘에 따른 캐비테이션 효과 파악 및 연구

② SS 농도에 따른 가용화 : 생물슬러지의 농도에 대한 파괴 및 분해

③ pH에 따른 가용화 : pH변화( 7. 8.5, 9.5)에 의한 파괴 및 분해

가용화 실험시간은 최대 180분으로 하였으며 반응기가 일정하게 이루어지게 하기

위하여 유량계를 이용하여 조절해 주었다. 채취 즉시 시료의 MLSS, PH, 온도를 측

정하였으며, SCOD, TSCOD, 상등수COD를 중심으로 분석하였다.

분석항목에 따른 시료의 채취 및 전처리 방법은 표 4.10과 같다.

- 61 -

실험 재료 2차 슬러지

운전시간(min) 0~180min

총 반응 시료량 원수조 40L + 반응기 25L

TCOD 혼합 슬러지의 COD 측정

SCOD 1µm으로 여과 된 슬러지의 COD 측정

상등수 COD 1시간 동안 슬러지를 침전시킨 후 상등수의 COD 측정

오존주입비율송기량 min 오존주입농도 슬러지부피

접촉시간min 흡수율

min min

표 4.10 분석의 전처리 방법

1.4.2. 오존 처리에 의한 가용화

오존 발생기의 산소 발생량은 3L/min, 오존 주입량은 10g/hr로 고정하였다.

고형물에 대한 오존 주입비율은 밑의 실험식을 이용하여 계산하였다.

계산 결과 본 실험에 사용된 오존 주입비율은 0.074 gO3/gSS이다.

오존 처리에 의한 가용화 장치는 그림 4.14에 나타낸 바와 같이 직경30cm의 원통형

아크릴 재질로 제작되었으며 총 용량은 14L이며 반응 유효부피는 6.8L이다. 반응조를

통과하여 나가는 오존은 배오존 장치를 통하여 배출되게 하였다.

그림 4.14 오존 주입에 의한 가용화 장치

- 62 -

항 목 실험 조건

오존처리시 반응시간의 효과 슬러지에 오존 주입 후 25분 동안 반응

가용화 +오존처리 3시간 가용화 시킨 후 25분 동안 오존처리

오존 주입에 의한 가용화 정도를 알아보기 위하여 표 4.11과 같은 실험조건으로 실험

을 수행하였다.

표 4.11 오존 주입에 의한 가용화의 실험 조건

1.4.3. 가용화액을 이용한 탈질 처리

본 가용화 장치에 의해 얻어진 슬러지가 외부 탄소원으로서의 장점을 가 질수 있는

지를 알아보기 위해 그림 4.15와 같은 회분식 탈질 실험장치를 사용하였다.

그림 4.15 회분식 탈질장치

메탄올과의 비교실험을 통해 NO3-N의 측정을 통해 탈질율 및 탈질화 속도를 분석

하여 외부탄소원으로서의 활용가치를 평가하고자 한다. N원으로 KNO3를 사용하여,

가용화 된 슬러지의 SCOD는 300mg/L, NO3-N는 60mg/L로 C/N비가 5가 되도록 조

정하였다. 메탄올 또한 C/N 비가 5로 하였으며 온도에 대한 영향을 알아보기 위해 2

0℃, 25℃로 하여 온도 변화를 주었다.

- 63 -

항 목　메탄올 주입

가용화 슬러지 주입1 2

MLSS (mg/L) 2000 2000 2000C / N 비율 5 5 5

SCOD (mg/L) 200 200 150NO3-N 38 38 28

온도 (℃) 20 25 25PH 7.2 7.2 7.2

ORP(mV) -150 이하 -100 이하 -150 이하

회분식 장치는 탈질 미생 물반응조에서 키워진 탈질균 500ml, 기질 500ml를 주입하

여 총 용량 1000ml로 하였다. 반응 장치의 교반속도는 80rpm으로 하여 최대한 낮은

속도로 완전 혼합이 일어나도록 해 주었다. 실험에 사용되어진 반응 기질(외부 탄소

원)와 운전조건은 표 4.12와 같다.

표 4.12 회분식 탈질실험 운전 조건

온도, PH, DO, ORP meter를 통해 반응 장치의 상태를 계속 측정함으로써 운전

조건이 잘 이루어져 활발한 탈질반응이 일어날 수 있도록 하였다. 반응시간은 최대 6

시간(300분)까지 하였다.

1.4.4. 가용화 슬러지를 이용한 메탄 발효 실험

그림 4.16 회분식 장치

- 64 -

유입수 구 분 실험 시 pH SCOD(mg/L)

가용화 하지 않은 슬러지액 원수 7 200

가용화 시킨 슬러지액 (pH 7) 저농도 7 450

가용화 시킨 슬러지액(pH 9.5) 고농도 7 870

가용화슬러지의 메탄생성 효율을 알기 위하여 중온 (35±1℃)에서 회분식 장치(그림

4.16)를 사용하여 수행하였다. 실험에 사용된 회분식 반응기에는 식종균 100ml, 기질

(가용화슬러지) 400ml를 주입하여 실험하였으며, 혐기성 조건을 유지하기 위하여 그림

4.17과 같이 Ar gas로 10분 동안 탈기시키고 밀봉 한 후 실험을 실시하였다.

그림 4.17 Ar gas를 이용한 회분식 반응기의 탈기

회분식 반응기는 항온 진탕기를 이용하여 중온 (35±1℃)으로 60rpm으로 교반하였

다. 실험 기간은 최대 15일로 하여 메탄 발생량과 메탄 함량을 측정하도록 한다.

실험에 사용되어진 기질의 조건은 다음과 같다.

표 4.13 회분식 메탄 실험의 실험 조건

원수는 가용화 되지 않은 슬러지로 SCOD 값은 200mg/L의 값을 가진다. 본 가용화

장치에 의해 가용화되어진 슬러지는 저농도, 고농도로 나누어 저농도의 경우 180분 동

안 가용화 한 SCOD 459mg/L, 고농도는 pH 9.5로 가용화 되어진 슬러지를 사용하여

SCOD의 값이 870mg/L가 되게 하였다. 회분식 메탄 실험 시작 시 pH 7로 모두 조절

하여 초기 조건을 같게 하였다.

- 65 -

1.4.5 탈수 성능 및 인 회수 실험

본 연구에서 원슬러지와 가용화 후의 슬러지의 탈수 성능을 비교하기 위하여 CST

를 이용한 탈수성능 실험도 수행하였다.

우리나라의 하수처리장에는 보통 원슬러지의 경우 인의 농도가 3~4mg/L가 된다.

슬러지가 파괴되거나 붕괴되면서 슬러지내에 있던 인의 성분이 유출되는 사실을 바탕

으로 가용화 후의 인 농도를 측정하여 증가된 인을 응집제를 이용하여 침전시키

고 회수하여 비료의 성분으로 재상품화 시키는 실험도 수행한다.

- 66 -

1.5. 실험 분석방법

1.5.1 Cavitation에 의한 가용화 실험

Cavitation에 의한 가용화 실험에 사용되어진 분석 항목과 장치는 표 4.14와 같다.

표 4.14 분석 항목 및 장치

Items Methods

pH Digital Ionalyzer / 501Model, ORION RESEARCH

Temp Digital Ionalyzer / 501Model, ORION RESEARCH

TS Standard Method (Dry oven, 105℃, 2hr)

SS Whatman, England, GF/C, Dry oven, 105℃, 2hr

SVI Standard Method 18th edition

CODcr Manganese Method (HACH DR-4000)

T-N HACH DR-4000 CAT.NO : 27141-00

T-P HACH DR-4000 CAT.NO : 27672-45

1.5.2 가용화 슬러지에 의한 가용화액을 이용한 탈질 처리

회분식 탈질 실험은 시료를 5분 ~ 1시간의 간격을 두어 15ml씩 채취하여 분석하였

으며, 분석항목은 온도, SCOD, NO3-N을 측정하였다. NO3-N의 측정은 시료채취 즉시

Whatman membrane filter 1µm(5c)여과 후 1시간 내로 분석 값을 측정하였다.

회분식 탈질 실험의 분석에 사용되어진 분석 방법과 기기는 표 4.14와 같다.

표 4.15 시료 분석 방법 및 기기

항목 방법 및 분석 기기 Item Methods

온도 Hidrix T-P DR4000

pH Orion DO Orion

MLSS공정시험법

SS methodORP

HORIBA

D-52

CODcr

Reactor Digestion Method

UV VIS Spectrophotometer

DR4000, HACH

NO3-N

Cadmium Reduction Method

UV VIS Spectrophotometer

DR4000, HACH

- 67 -

1.5.3 가용화된 슬러지를 이용한 메탄 발효

회분식 메탄 실험에서 메탄 발생량은 100ml 용량의 galss syringe를 통하여 실험기

간동안 매일 생산가스의 양을 측정하였으며, 그 측정모습은 그림 4.18과 같다.

그림 4.18 메탄가스 발생량 측정

가스의 조성은 head space내의 가스를 gas tight syringe로 100㎕를 취하여

conductivity detecter를 장착한 gas chromatography(Agilent 6850 A)를 이용하여 측

정하였다. GC에 사용된 column은 수소와 메탄, 이산화탄소의 농도분석을 위해

6ftx1/8inch steel column with Porapak Q(80/100)를 이용하였으며, carrier gas로는

Ar를 사용하였다. 수소분석의 조건은 column 온도 60℃, injector 온도 120℃, detecter

온도 200℃이었으며, flow rate는 20ml/min으로 유지하였다.

그림 4.19 GC 장치

- 68 -

2. 연구개발수행 결과

2.1 CFD 시뮬레이션 결과

시뮬레이션은 각각의 조건에 대해 최신 컴퓨터 사양에서 8시간이상 구동하여 충분

한 수렴(convergence) 발생하였을 때 결과를 얻은 것으로 발산(divergence)의 경우 다

시 시작하여 결과 조건을 도출하였다.

2.1.1 유속장

case1 유속장(측면) case2 유속장(측면)

case1 유속장(정면) case2 유속장(측면)

- 69 -

case3 유속장(측면) case4 유속장(측면)

case3 유속장(정면) case4 유속장(측면)

- 70 -

case5 유속장(측면) case6 유속장(측면)

case5 유속장(정면) case6 유속장(측면)

- 71 -

case7 유속장(측면) case7 유속장(정면)

유속장은 유체의 흐름과 유속상태를 볼 수 있다. 유속측면은 하단왼쪽에서 중간원통

접선면으로 유입되고 내원통 바닥에 흡입순환펌프가 있어 우측으로 순환 라인이 연결

되어져 있다. 중간높이 이상의 유출관을 통해 처리수가 유출되며 이 유출수는 저류조

에서 다시 원수펌프에 의해 유입됨으로 유입순환된다. 유속정면은 유속측면을 반시계

방향으로 90도 회전시켜 놓은 것으로 유입관은 정면에서 들어가고 내통바닥 아래의

흡입관은 정면으로 나온다. 그리고 순환관은 중간통 하단 왼쪽에서 유입펌프에 의해

유입관을 통해 원수가 유입된다. 중간높이 이상에 설치된 유출관들은 정면에서 나오는

모양이다. case1은 외통 중간통, 내통에 유체가 골고루 분포하고 하고 있으나 case 2

의 경우 수온만 차이가 나는데 유체흐름이 상이하다. 수온의 경우 case 1과 case 4만

20도이고 나머지는 50도로 해석을 하였는데 case4의 경우 내부 구조물이 없는 관계로

가운데 물의 소용돌이 정도가 있는 형태이다. 그러므로 case 4를 제외한다면 유체의

순환은 case1이 좋고 그 이후의 조건에서는 캐비테이션 발생 가능성이 높은 편이다.

- 72 -

case1 case2

case3 case4

2.1.2 압력장

- 73 -

case5 case6

case7

압력은 파스칼 기준으로 나타내었으며

대기압을 약 100,000Pa로 본다면 그 이

하로 진행되고 있고 2300pa 정도 되면

포화수증기압 조건이 되어 캐비테이션

발생 가능성이 높아진다.

- 74 -

case5 case6

case7

VOF는 부피비율로서 액체당 기체가 차

지하는 비율이다. 즉, 파란색은 유체만

빨간색은 기체만 존재하는 부분으로

case 1만 제외하고 기체부분이 존재하므

로 캐비테이션 발생 가능성이 높다.

- 75 -

case1 case2

case3 case4

2.1.3 VOF(기액비율) - 25℃ 상태, 측면 보기

- 76 -

case5 case6

case7

VOF 해석에서 외통 하단과 중간통 하단

에 기체공간이 많이 형성되어 있었으며

그 중 외통 단면의 VOF를 본 것이다.

case1과 4를 제외하고 수주가 분리되어

중간통 단면부분은 유체가 없는 것으로

나타나 있으므로 캐비테이션 발생 가능

성이 높다.

2.1.4 VOF(기액비율) - 25℃ 상태, 단면보기

- 77 -

case1 case2

case3 case4

- 78 -

2.1.5 Isosurface of cavitation(측면)

case1 case2

case3 case4

- 79 -

case5 case6

case7

캐비테이션 발생면을 나타낸 것으로서

본 그림은 VOF 16% 즉 기체가 16%로

차지하는 부분의 동일면(Isosurface)를

나타낸 것으로 이전 VOF를 참조하면 경

향을 알수가 있다. Case1 VOF 16%를

나태내는 등표면을 보이지 않고 있으나

나머지는조건에서는 각각의 조건에 따라

형상이 나타내고 있다.

- 80 -

2.1.6 Isosurface of cavitation(정면)

case1 case2

case3 case4

- 81 -

case5 case6

case7 case5-1: case5의 VOF 0.72조건

현재 Isosurface of cavitation 해석은 VOF 16%이나 case5-1은 case5에서 VOF가

72% 일 때를 나타낸 것이다. case 5이상에서는 대두분의 결과가 유사하게 나타나고

있다.

- 82 -

2.1.7 단면압력변화(수직축)

case1 case2

case3 case4

case5 case6

그림 4.20 단면압력변화(수직축)

- 83 -

2.1.8 단면압력변화(수평축)

case1 case2

case3 case4

case5 case6

그림 4.21 단면압력변화(수평축)

- 84 -

2.1.9 단면유속변화(수직축)

case1 case2

case3 case4

case5 case6

그림 4.22 단면유속변화(수직축)

- 85 -

2.1.10 단면유속변화(수평축)

case1 case2

case3 case4

case5 case6

그림 4.23 단면유속변화(수평축)

- 86 -

그림 4.20 ~ 4.23은 한 수직축, 수평축에서 압력변화와 유속변화를 나타낸 것으로

아래 그림처럼 수직축(노란선)은 내통 중앙 가장 긴 선이고 수평축(노란선)은 중간통

하단 가운데를 나타내고 있다. 그림 4.20 ~ 4.23 해석에서 수직축에 대한 내용은 x축

좌가 수직축 아래를 우가 수직축 위를 나타내고, 수평축에 대한 내용은 x축 좌가 수평

축 좌를, 우가 수평축 우를 나타낸다.

수직축 수평축

case 1을 제외하면 압력선 해석에서 하단부분에 압력저하가 가장 크나 유속은 중간

부분이 가장 빠른 것으로 나타나고 있다. 수직축 압력의 경우 각 통의 경계를 잘 보여

주고 있다. case 5이상은 거의 같은 형상을 하고 있어 조건 변화의 극한치를 보여주고

있다.

결론적으로 유입조건 600lpm과 흡입순환 조건 200lmp를 중심으로 혼합과 캐비테이

션 조건을 볼 수 있었으며 유입 600lpm, 흡입순환 200lmp, 수온 50℃ 조건(case 2)이

나 유입 200lpm, 흡입순환 600lmp, 수온 50℃ 조건(case 3)에서 캐비테이션이 발생하

는 것으로 나타났으며 case 4를 제외한 case5,6,7은 비경제적은 것으로 나타났다.

그러므로 경제적인 운전을 위해서는 유입과 순환유량의 합이 800 lpm을 넘지 않는

것이 중요하다.

본 시뮬레이션에서 전체적인 해석은 압력저하가 높고 유속이 빠르며, 수온이 높은

조건에서 캐비테이션이 발생하기 좋으며 같은 수온에서도 압력저하와 유속이 빠른 곳

이 캐비테이션이 발생하기 좋다.

- 87 -

2.1.11 펌프형상고려

앞서 소개된 내용은 유량, 수온중심의 변화였으나 실제로 펌프의 사양(펌프압이나

임펠라 형상등)에 따라서도 처리효율이 달라질 수 있다.시뮬레이션에서 고려된 펌프는

유입을 위해 수중펌프가 이용되고 흡입순환을 위해 볼텍스 펌프가 사용되어진다.

(a) 유입(수중펌프), (b)흡입순환(볼텍스)펌프

그림 4.24 유기성 고형물 가용화장치에 이용될 수 있는 펌프

실제로는 펌프형상(케이스, 임펠라등)등 세부조건에 따라 결과가 상이하게 나올수

있으나 그림 4.24 처럼 유입펌프는 유량을 많이 보낼 수 있잇는 수중펌프를 흡입순환

펌프는 슬러지이송과 압력전달에 강한 볼텍스를 선정하여 그림 4.25와 그림 4.26처럼

나타내었다.

본 연구결과 압력 캐비테이션의 발생, 성장 및 붕괴를 적절히 조절하기 위해서는 수

온, 유속, 그리고 압력에 따라 등의 영향을 많이 미치므로 향후에는 압력변화를 주어

서 이를 활용할 수 있는 부가장치를 고안하고 본 연구의 유기성가용화 장치와 결합

한 후 실험과 시뮬레이션을 통해 보다 정확한 설계인자를 용이하게 도출할 수 있을

것이다.

- 88 -

그림 4.25 유입(수중펌프)형상 조건 구현

그림 4.26 흡입순환(볼텍스 펌프)형상 조건 구현

- 89 -

2.2. Cavitation에 의한 가용화 실험

2.2.1 Run1의 결과

본 실험의 기본 조건은 단순 원통 반응기(이하 1번 반응기)와 수중펌프는 볼류트형

일반배수용(자동식)펌프인 IP-317-F(온양정 3m일 때 양수량 145L/min, 이하 1번 수중

펌프)를 사용했고 흡입펌프는 급수용펌프(자동식)인 PW-350SMA(온양정 12m일 때

양수량 25L/min, 이하 1번 흡입펌프)를 사용하였다.

2차 반송슬러지를 이용한 가용화 Run 1 실험에 사용한 슬러지의 초기 조건은 SS

13000mg/l, SCOD 61mg/l, 상등액 COD 508mg/l이었다. 3시간 동안의 가용화 처리 후

결과는 그림 4.27과 같다.

0

300

600

900

1200

1500

1800

2100

0 30 60 90 120 150 180

시간(min)

CO

D(m

g/L

)

11800

12100

12400

12700

13000

13300

SS(m

g/L

)

상등COD(mg/L) SCOD(mg/L)*10 SS(mg/L)

그림 4.27 Run1 실험에서 SS, SCOD, 상등액 COD의 변화

180분 가용화 실험 결과, SS는 13000mg/L에서 12200mg/L으로 낮아져 약 6%의 감

소율을 보였고 SCOD는 61mg/L에서 98mg/L로 약 61% 증가하였다. 상등액 COD는

증가율은 508mg/L에서 1790mg/L로 252% 증가하였다.

SS의 경우 고농도의 SS로 인해 슬러지가 1 μm 이하로 분해되는데 어려움이 많아

낮은 감소율을 보였을 것으로 예상한다. SCOD와 상등액 COD의 증가율로 보아 본 1

번 반응기 실험 장치에 의하여 1 μm이하까지 분해가 되지 않은 수 μm 크기의 콜로

이드 수준의 미세입자들이 많이 발생한 것을 짐작할 수 있다. 본 가용화 실험에서는 1

μm 이하의 완전한 가용화 보다는 그 전 단계까지의 가용화가 주로 진행되었음을 알

- 90 -

0

300

600

900

1200

1500

1800

0 30 60 90 120 150 180시간(min)

CO

D(m

g/L

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

SS(m

g/L

)

상등액 COD(mg/L) SCOD(mg/L)*10 SS(mg/L)

수 있다.

2.2.2 Run2의 결과

가용화 실험 장치에 대한 조건은 Run1과 동일하게 한 후 Run2 실험을 수행하였다.

2번째 실험에 사용한 슬러지의 초기 조건은 SS는 3600mg/L, SCOD는 60mg/L, 상등

액 COD는 266mg/L 이었다.

그림 4.28 Run2 실험에서 SS, SCOD, 상등액 COD의 변화

180분 가용화 실험 결과, SS는 3600mg/l에서 2500mg/l로 약 31%의 감소율을 보였

고 SCOD는 60mg/l에서 89mg/l로 약 48% 증가하였으며, 상등액 COD는 266mg/l에서

1561mg/l로 약 487%의 큰 증가율을 나타내었다. 이로부터 본 가용화 장치를 이용할

경우 SS 감량화와 유기물 가용화는 충분히 이뤄질 수 있을 것으로 판단된다.

그러나 가용화 Run1 실험과 Run2 시험에서 알 수 있듯이 SS의 고농도, 저농도 여

부에 따라 SS의 감소율이 판이하게 다름을 알 수 있었다. 이것은 슬러지가 세포로 구

성되어 가용화가 정상적으로 이뤄졌다면 가용화 진행시 세포의 파괴로 인하여 SS가

감소해야 하는 것을 알 수 있으나 고농도 SS에선 비중이 무거운 슬러지 Floc들이 가

용화가 진행될 때 세포의 파괴가 쉽게 이뤄지지 않아 Run1 실험에서는 SS의 감소율

이 낮게 나타나는 것임을 짐작할 수 있다.

- 91 -

6%31%

61% 48%

252%

487%

0%

100%

200%

300%

400%

500%

600%

Run1(SS13000mg/L) Run2(SS3600mg/L)

변화

율(%

)SS감소율 SCOD증가율 상등액 COD증가율

그림 4.29 SS 농도별 가용화율 비교

그림 4.29은 SS 농도별 가용화율에 대한 그림이다. 앞에서도 언급했듯이 Run1 실

험은 SS 농도가 13000mg/L로 고농도이고 2차 실험은 3600mg/L로 저농도로 실험을

수행하였다. Run1 실험과 Run2 실험의 SS 농도 감소량은 큰 차이가 없으나 감소율

에서 상당한 차이를 보였다. 이것은 Run1 실험이 고농도일 때 슬러지의 Floc들이 쉽

게 가용화되지 않아 고농도 일 때 장치에 대한 효율이 비효율적임을 알 수 있었다. 그

러나 Run1 실험에서 가용화된 슬러지들은 Run2 실험과 비교했을 때 SCOD와 상등액

COD의 비율을 보면 Run1 실험은 상등액COD의 가용화율은 낮고 SCOD 가용화율은

높은 것을 알 수 있다. 이것은 SS가 펌프의 효과와 반응기, 슬러지들 간의 충돌로 인

하여 슬러지 세포들이 붕괴되고 파괴되지만 전체의 슬러지들이 순환되지 못하고 일부

의 슬러지들만이 순환되어 가용화된 슬러지들이 1 μm 이하로 가용화가 많이 되었을

것으로 판단된다.

본 가용화 실험에 따른 조건 및 Scale적인 요소에 있어 Lab Scale은 실제 조건을

완전히 만족시키기에는 부족함이 있었다.

첫째, 가용화 실험장치인 1번 반응기의 용량은 1회 실험을 수행할 때 33L로 1번 흡입

펌프의 능력으로는 선회류를 유도하기에 부족함이 있었다.

둘째, 고농도의 SS로 가용화 실험을 할 경우 압력과 유량조절 장치에 슬러지가 퇴적

되어 막힘 현상이 생겨 때때로 실험을 지속하기 어려운 상황도 있었다. 추후 이러한

문제점에 대해서는 정확한 모델링 분석과 입자의 영향에 따른 해석이 필요하다고 판

단되며 가용화 실험 장치인 반응기나 펌프의 영향력도 고려하여 실험을 수행할 것이

요구된다.

- 92 -

2.3.3 Run3의 결과

이 후 실험에서는 반응기와 펌프의 교체가 이루어졌다. 본 실험의 기본 조건은 단

순 원통 반응기에는 가용화를 촉진시킬 수 있는 내부 구조물과 선회류를 급히 유도할

수 있도록 내부 구조물을 부착하였으며 펌프는 위 실험시 사용한 펌프 사양의 약 2배

정도 성능의 펌프를 사용하여 실험을 수행하였다. 펌프의 사양은 다음과 같다. 수중펌

프는 볼텍스형 일반 배수용 펌프 IPV-435(온양정 6m일 때 170L/min, 이하 2번 수중

펌프)를 사용했고 흡입펌프는 급수용 펌프 PW-2200M(온양정 52m일 때 50L/min, 이

하 2번 흡입펌프)이다.

가용화 Run3 실험의 초기 조건은 SS가 4600mg/L, SCOD는 200mg/L, 상등액COD

340mg/L 이었다. 가용화 Run3 실험을 수행한 결과는 그림 5.30과 같다.

0

1000

2000

3000

4000

5000

0 30 60 90 120 150 180

시간(min)

CO

D(m

g/L

)

0

1000

2000

3000

4000

5000

SS(m

g/L

)

상등수COD(mg/L) SCOD(mg/L)*10 SS(mg/L)

그림 4.30 Run3 실험에서 SS, SCOD, 상등액 COD의 변화

가용화 Run3 실험의 결과는 SS가 4600mg/L에서 3500mg/L으로 약 24% 낮아졌으

며 SCOD는 200mg/L에서 440mg/L로 약 120% 증가하였다. 상등액COD는 340mg/L에

서 1887mg/L로 455%로 크게 증가하였다.

본 실험에서 초기 상등액COD의 값이 5min 가용화 한 값보다 현저히 작은 것은 서

울 J하수처리장에서 슬러지 채취 후 냉동 보관하여 며칠이 지난 후 얼은 시료를 녹여

실험을 수행하였다. 따라서 원수의 슬러지들은 침전성이 매우 좋았으며 5분 동안 가용

화한 후의 슬러지들은 차츰 침전성이 떨어져서 상등액 COD값이 큰 차이를 보인 것으

로 판단된다. 그림 4.32는 Run3 실험에서 1시간 침전 후 찍은 사진이다.

- 93 -

31% 24%48%

120%

487%455%

0%

100%

200%

300%

400%

500%

600%

Run2 Run3

단순 반응기 가용화용 반응기

변화

율(%

)

SS감소율 SCOD증가율 상등액 COD증가율

2번 반응기와 2번 수중펌프, 흡입펌프의 교체 이후 SCOD와 상등액 COD 값들이 1

번 반응기와 1번 수중펌프, 흡입펌프의 SCOD, 상등액 COD 값들 보다 크게 증가하는

것을 알 수 있다. 이것은 2번 반응기와 2번 수중펌프, 흡입펌프의 효과로 인하여 슬러

지의 세포 파괴가 원활히 이루어지며 특히나 슬러지의 세포를 1 μm 이하의 세포로 파

괴하는데도 크게 기여하는 것임을 알 수 있다. 또한 펌프의 성능이 커져서 빠른 유속

으로 인하여 압력게이지나 유량게이지에 슬러지가 퇴적되지 않아 실험이 손쉽게 이루

어질 수 있었다. 그러나 반응기와 펌프의 교체로 SCOD, 상등액 COD의 증가 효과를

보았지만 이러한 것들이 2번 반응기에 의한 것들인지 2번 펌프들의 영향인지 차후 과

제로 남게 되었다.

그림 4.31 반응기, 펌프종류에 따른 가용화율 비교

그림 4.31은 각 반응기와 펌프에 따른 가용화 정도를 파악하기 위해 180min 동안

가용화 한 결과들을 단순 반응기와 가용화용 반응기 별로 나타내었으며 그림을 통해

SS의 감소율, SCOD, 상등액COD의 증가율을 비교할 수 있다.

본 가용화 실험 결과 SCOD와 상등액 COD는 2번 반응기를 사용했던 실험이 상당

한 가용화율을 보였다. 특히 SCOD는 1번 반응기를 사용했을 때보다 가용화율이 약 3

배 정도 차이가 났다. 이것은 2번 반응기로 인하여 슬러지들이 1 μm 이하로 세포가

파괴되어 가용화되었음을 나타낸다.

- 94 -

따라서 2번 반응기의 운전 실험이 Cavitation에 의해 발생하는 순간적인 고압(High

pressure), 전단응력(jet stream)과 고온(hot-spots)에너지에 의하여 Sludge Floc이 물

리-화학적 변화를 일으켜 파괴되는 것을 알 수 있다.

그림 4.32 2차 반송슬러지 가용화 후의 사진

- 95 -

2.2.4 가용화에 미치는 pH의 영향

1) Run4(pH 8.5)의 결과

pH에 따른 슬러지의 성상변화를 파악하기 위해 2차 반송슬러지에 pH를 8.5, 9.5로

변화시켜 가용화시 슬러지 변화의 효과를 알아보기 실험을 수행하였다.

가용화 실험장치의 기본 조건은 2번 반응기와 2번 수중펌프, 흡입펌프로 제한하였다.

본 실험에 사용된 슬러지의 초기 조건은 SS 4000mg/L, SCOD 727mg/L, 상등액

COD 750mg/L이며 먼저 pH를 8.5로 변화시켜 실험을 수행하였다.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 30 60 90 120 150 180

시간(min)

CO

D(m

g/L

)

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

SS(m

g/L

)

상등액COD(mg/L) SCOD(mg/L) SS(mg/L)

그림 4.33 Run4(pH 8.5)에서의 SS, SCOD, 상등액 COD의 변화

pH 8.5의 가용화 실험 결과 SS는 4000mg/L에서 3200mg/L로 20%의 감소율을 보

였으며 SCOD는 727mg/L에서 1445mg/L로 718mg/L이 증가하여 약 99%의 증가율을

보였다. 상등액COD는 750mg/L에서 2593mg/L로 약 246% 증가율을 보였다.

본 실험에서 비록 증가율은 크지 않지만 증가량이 많은 것을 볼수 있다. SCOD는

718mg/L 증가하고 상등액COD는 1843mg/L나 증가하여 1 μm 전후의 전처리가 크게

가용화되었음을 알 수 있다. 2차 슬러지는 대부분이 미생물로 이루어져 있기 때문에

pH를 변화시켜 알카리성으로 만들어줄 경우 슬러지에 주는 영향은 슬러지의 세포벽을

약하게 만들어 가용화되기 쉽게 만들어 주어 큰 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단

된다.

- 96 -

2) Run5(pH 9.5)의 결과

가용화 실험 장치의 기본 조건은 위와 동일하며 pH를 9.5로 변화시켜 실험을 수행

하였다. 슬러지의 초기 조건은 다음과 같다. SS는 3800mg/L, SCOD 205mg/L, 상등액

COD는 624mg/L이었다.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

0 30 60 90 120 150 180

시간(mg/L)

CO

D(m

g/L

)

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

SS(m

g/L

)

상등액COD(mg/L) SCOD(mg/L) SS(mg/L)

그림 4.34 Run5(pH 9.5)에서의 SS, SCOD, 상등액 COD의 변화

pH 9.5로 변화 후의 가용화 실험결과는 SS가 3800mg/L에서 3000mg/L로 약 21%

감소율을 보였으며 SCOD는 205mg/L에서 682mg/L로 약 233% 증가하였다. 상등액

COD는 624mg/L에서 2655mg/L으로 증가하여 약 325% 증가율을 나타내었다.

본 실험에서 pH8.5와 pH9.5의 결과를 보면 SS의 감소율은 20%, 21%로 거의 유사

한 값을 갖지만 SCOD의 증가율은 99%와 233%로 큰 차이를 보였다. 또한 상등액

COD도 246%와 325%로 차이가 있었다. 이 실험들의 결과로 pH의 변화 즉, 알칼리성

의 변화는 슬러지를 가용화 시키기에 충분한 영향을 주는 것을 확인 할 수 있었으며

pH가 높을수록 SCOD, 상등액COD의 가용화율이 커질 것을 짐작할 수 있었다.

그림 4.35는 pH를 7에서 9.5까지 변화시켜 180분 동안 가용화 실험을 수행한 결과

를 나타낸 것이다. Run3 실험은 가용화 실험하기 전 pH 변화 없이(pH 7) 실험을 하

였고 Run4 실험은 pH를 8.5로 변화시켜 가용화 실험을 하였고 Run5 실험은 pH를 9.5

로 변화시켜 실험을 수행하였다.

- 97 -

24% 20% 21%

120%99%

233%

455%

246%

325%

0%

100%

200%

300%

400%

500%

Run3(pH 7) Run4(pH 8.5) Run5(pH 9.5)

변화

율(%

)SS감소율 SCOD증가율 상등액 COD증가율

그림 4.35 가용화에 미치는 pH의 영향

그래프에서 알 수 있듯이 SS의 감소율은 거의 비슷했으며 가용화 3차 실험과 Run

4 실험에서 SCOD는 큰 차이 없고 Run5 실험에서 Run3, Run4 실험보다 50% 더 가

용화된 것을 알 수 있다. 여기서 특이할 점은 Run4, Run5 실험의 상등액COD의 증가

율이 pH를 변화시키지 않은 3차 실험보다 작다는 점이다. 그러나 실험 원수, 가용화

180min 후의 값을 보면 알 수 있듯이 pH를 변화시킨 실험은 원수의 상등액COD 값이

처음부터 높게 나타났으며 차츰 서서히 올랐다는 것이다. 이것은 pH의 변화 (Run4

pH 8.5, Run5 pH 9.5) 가 슬러지의 세포벽을 약하게 만들어 미리 슬러지가 파괴되고

붕괴되었을 것이며 그리하여 가용화시키기에도 수월했을 것으로 판단된다. 그림 4.36

이 앞의 설명을 뒷받침 해준다.

SCOD, 상등액COD 모두 변화율(%)보다는 변화량(=최종 농도-최초농도, mg/L)에서

많은 차이를 보여준다. Run4 실험과 Run5 실험에서 상등액 COD의 변화율(%)은 오히

려 Run3 실험값 보다 적게 나왔다. 하지만 변화량에서는 Run3 실험값보다 Run4와

Run5 실험값이 500mg/L 정도 더 높게 나왔다. 특히 SCOD 증가량의 경우 pH 7보다

pH8.5에서 3배 정도 높게 증가하였다. 이것은 pH가 슬러지 세포에 주는 영향이 지대

함을 알 수 있다.

- 98 -

1100

800 800718

477

1547

1843

2031

240

0

500

1000

1500

2000

Run 3 Run 4 Run 5

변화

량(m

g/L

)

SS감소량 SCOD증가량 상등액COD증가량

그림 4.36 pH 변화에 따른 SS, SCOD, 상등액 COD의 변화량(mg/L)

2.3. 오존 처리에 의한 가용화

2.3.1 오존 처리시간의 영향

오존 주입시간에 따른 슬러지의 분해 특성을 알아보기 위하여 오존 주입량 10g/hr,

오존 주입속도 3L/min, 고형물에 대한 오존 주입비율 0.074gO3/gSS의 조건하에서 25

분 동안 반응을 진행하였다. 오존에 의하여 분해된 슬러지의 SS, SCOD 변화를 관찰

하였다. 실험의 초기 조건은 SS 2900mg/L이고 SCOD는 310mg/L이었다.

그림 4.37 오존 처리 실험 후의 SS, SCOD의 변화

- 99 -

25분 동안의 오존 처리 실험 결과 SS는 2900mg/L에서 2400mg/L로 약 17% 감소했

으며 SCOD는 310mg/L에서 1050mg/L로 약 239% 증가하였다. 오존 역시 강력한 산

화력으로 인하여 슬러지의 세포를 파괴하는데 매우 효과적이었다. 오존처리와

Cavitation 가용화를 동시에 반응시키면 큰 효과를 볼 수 있을 것으로 기대된다.

2.3.2 Cavitation 처리 후 오존 주입에 의한 가용화

생물학적 하수처리공정의 슬러지 반송라인에서 채취한 MLSS 농도 4000mg/L 범

위의 하수슬러지를 이용하여 180분간 가용화용 반응기에서 가용화를 실시하였다.

SCOD 617mg/L의 가용화 슬러지에 대하여 25분간 오존 처리를 실시하였다. 시간별

SCOD의 변화량은 다음 그림과 같다.

그림 4.38 가용화 처리 후 오존 반응시 SCOD의 변화

그림 4.38과 같이 가용화 장치에서 3시간 동안 가용화 하였을 때 SCOD는 617mg/L

로 증가되었다. 3시간동안 가용화 한 슬러지에 오존 처리를 10분간 하였을 때 SCOD

값은 1016mg/L로 약 65% 증가하였고 25분간 오존을 주입하였을 때 1300mg/L로 약

111% 증가하였다. 그러나 시간대비 증가율이 그다지 크지 않음을 그림의 곡선에서 알

수 있다. 가장 효율적인 오존처리시간을 구하는 것이 차후 과제로 남게 되었다.

- 100 -

0

500

1000

1500

2000

2500

원수 오존(15분) 30 60 90 120 150 180시간(min)

CO

D(m

g/L

)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

SS(m

g/L

)

상등액COD(mg/L) SCOD(mg/L) SS(mg/L)

2.3.3 오존 처리 후 Cavitation을 이용한 가용화

15분 오존 처리 후 180분간 가용화 반응기에 가용화를 실시한 결과는 다음 그림

4.39과 같다.

그림 4.39 오존 주입 후 가용화 처리시 SCOD 변화

실험결과 SS는 3400mg/L에서 1700mg/L로 50% 감소했고. 상등액COD는 455mg/L

에서 2185mg/L로 380% 증가 했으며, SCOD는 350mg/L에서 1515mg/L로 328% 증가

하였다. 이 실험 결과는 위 실험인 가용화 처리 후 오존 주입 실험과 비교해 보았을

때 더 높은 효율을 보인 것을 알 수 있다.

0

300

600

900

1200

1500

1800

가용화(3hr) 오존 25min 가용화(3hr)+오존(25min) 오존(15min)+가용화(3hr)

SC

OD

(mg/L)

SCOD(mg/L)

그림 4.40 반응 조건별 최종 SCOD 농도

- 101 -

그림 4.40은 각각의 반응 조건별 최종 SCOD 농도 값이다. 그림에서 알 수 있듯이

오존 주입 후 가용화 처리시 가장 높은 SCOD의 값을 얻을 수 있었다. 오존 15분 주

입 후 3시간 가용화 처리 한 실험은 단순히 가용화 3시간 한 실험보다 약 2.5배 높으

며 단순히 25분간 오존 처리한 실험 보다는 약 1.5배 높고 가용화를 먼저 처리 후 오

존 주입한 실험보다는 SCOD가 약 1.2배 더 증가하였음을 알 수 있다.

9.7

24.6 24.5

0

5

10

15

20

25

30

가압형 공동화(14hr) ¹ 초음파 ² 오존 + 공동화(본 연구, 1hr)

gSC

OD

/ K

W·h

r

그림 4.41 타 연구결과1)와의 비교(1)

그림 4.41은 타 연구결과들과 본 연구를 1kWh당 얼마만큼의 SCOD를 발생시키는지

비교한 그림이다. 그림 비교 결과 본 연구의 결과 1kWh당 24.5g의 SCOD를 발생시

켰으며 1시간 수행만으로도 초음파와 동일한 결과 값을 얻는 것으로 보아 운전비용

측면에서도 상당히 경쟁력이 있는 것으로 판단된다. 이것은 그림 4.42의 일본 교또 대

학교의 실험 중 오존소비량과 가용화율(3~7g SS/gO3)의 관계에서 본 실험의 결과 값

을 비교해 보아도 우수한 수준의 결과이다.

1) 1. 김희준, 이은영, 허안희, D.X nguyen, 배재호 (2006) 수리동역학적 캐비테이션을 이용한 슬러지의 가용화, 대한상하수도학회⋅한국물환경공학회 공동 추계학술발표회

2. 희준, 이은영, 허안희, D.X nguyen, 배재호 (2006) 수리동역학적 캐비테이션을 이용한 슬러지의 가용화, 대한상하수도학회⋅한국물환경공학회 공동 추계학술발표회

- 102 -

0.39

0.1

0.14

0.3

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

초음파 ¹ 오존 ² 가압형 공동화(벤츄리2개, 14hr)³

오존+공동화(본 연구, 1hr)

ΔSCOD/g

COD

그림 4.42 일본결과와의 비교

그림 4.43 타 연구결과2)와의 비교(2)

그림 4.43에서 알 수 있듯이 본 연구의 결과 값이 타 연구 결과 값보다 상당히 우수

한 것을 알 수 있다. 본 공법을 이용할 경우 0.3g SCOD/g COD로 약 30%의 슬러지

를 가용화 시킬 수 있을 것으로 기대된다.

2) 1. 김희준, 이은영, 허안희, D.X nguyen, 배재호 (2006) 수리동역학적 캐비테이션을 이용한 슬러지의 가용화, 대한상하수도학회⋅한국물환경공학회 공동 추계학술발표회

2. 송경근 (2003) 오존분해에 의한 슬러지의 기질화 및 미생물 재성장이 수반된 하수고도처리 시스템에서 잉여슬러지 감소와 질소제거의 개선

3. 희준, 이은영, 허안희, D.X nguyen, 배재호 (2006) 수리동역학적 캐비테이션을 이용한 슬러지의 가용화, 대한상하수도학회⋅한국물환경공학회 공동 추계학술발표회

가

용

화

율

( %

오존 소비량(mg O3/g SS)

- 103 -

5

10

15

20

25

30

35

40

0 60 120 180 240 300Time (min)

NO3-N(mg/L)

메탄올1 (20℃) 메탄올2 (25℃)

외부 탄소원 온도 (℃) 비탈질 속도 (mg NO3-N/g MLSS.hr)

메탄올 1 20 1.70

메탄올 2 25 2.30

2.4. 가용화액을 이용한 탈질 처리

2.4.1. 온도영향

그림 4.44 외부탄소원으로 메탄올 사용 시 NO3-N의 농도 변화

그림 4.44은 외부 탄소원으로 온도 변화를 준 메탄올을 사용하였을 때 NO3-N의

농도 변화를 보여준다. 5시간 반응 후 20℃에서 탈질 제거율은 40%, 25℃에서 탈질

제거율은 60%이다. 그림 5.41에서 2시간 후부터는 완만한 곡선을 이루고 있는 것을

볼 수 있다. 따라서 2시간 정도가 가장 효율적인 탈질 반응 시간임을 알 수 있다. 외

부탄소원으로 메탄올을 사용하였을 때, 5시간 동안의 평균 비탈질 속도는 표 4.16과

같다.

표 4.16 비탈질 속도

위 표에서 보는 바와 같이 메탄올의 비탈질 속도는 20℃에서 1.70(mg

NO3-MLSS·hr)이었고, 25℃에서는 2.30(mg NO3-N/g MLSS·hr)이었다. 온도가 5℃

높아지면 비탈질 속도가 약 1.4배 커짐을 알 수 있다.

2시간 후 비탈질 속도는 메탄올1(20℃)은 3.25mg NO3-N/g MLSS·hr을 메탄올2(2

5℃)는 4.93mg NO3-N/g MLSS·hr 의 값을 나타낸다.

- 104 -

37%

58%

78%

20

40

60

80

100

가용화 슬러지 메탄올2 메탄올1

NO3-N

제거율(%)

2.4.2 가용화된 슬러지의 영향

그림 4.45 외부탄소원에 따른 NO3-N의 변화량

그림 4.45의 회분식 탈질 실험결과로부터 메탄올보다 가용화된 상등액을(이하 가용

화액) 외부탄소원으로 이용하였을 때 NO3-N의 제거가 훨씬 더 잘 이루어졌음을 알

수 있다. 2시간 운전 후 탈질율은 메탄올의 경우 58%, 가용화액의 경우 78%이었다.

그림 4.46 2시간 후의 NO3-N의 제거율

- 105 -

외부 탄소원 온도 (℃) 제거속도 (mg NO3-N/gMLSS.h)

가용화 슬러지 25 2.69

메탄올 1 20 1.70

메탄올 2 25 2.30

항 목SDNR

(mg NO3-N/gMLSS·hr)Reference

Acetate

Acetate

Methanol

RBCOD

2-7

2.3-4

0.4-1

1-3

Henze(1991)

Bolzomella 등(2001)

Bolzonella 등(2001

Kujawa와 Klapwijk(1999)

Wastewater1-5

0.6-1

Henze(1991)

Kujawa와 Klapwijk(1999)

Endogeneous0.2-0.5

0.2-0.6

Henze(1991)

Kujawa와 Klapwijk(1999)Ozonized sludge

(Activated sludge)

RBCOD

SBCOD

2.66

0.79

This study

This study

그림 4.46에서 보는 바와 같이 2시간 후의 NO3-N 제거율을 비교하였을 때 가용화

액의 경우 78%, 메탄올2는 58%, 메탄올1은 37%를 나타내어 가용화액이 가장 높은 효

율을 보였다.

본 Cavitation 장치에 의해 가용화액과 메탄올 1, 2의 5시간 평균 비탈질 속도를 표

4.17에 나타내었다.

표 4.17 외부탄소원 제거속도 비교

가용화 슬러지는 25℃에서 2.69(mg NO3-N/g MLSS·hr)의 비탈질 속도를 나타냈고

메탄올2는 25℃에서 2.30(mg NO3-N/g MLSS·hr)을 나타내었다. 또한 회분식 탈질실

험의 반응시간 120분, 180분에서의 비탈질 속도는 가용화액의 경우 5.43, 4.28(mg

NO3-N/g MLSS·hr)이였으며, 메탄올은 4.93, 3.65(mg NO3-N/g MLSS·hr)의 값을 나

타내었다. 따라서 표 4.18의 다른 연구 결과로부터 구한 값들과 비교해 보았을 때 가

용화액의 비탈질 속도는 메탄올보다 높으며 acetate와 비슷한 값을 나타내었다.

표 4.18 비탈질 속도 비교

이상으로부터 본 장치에 의해 가용화되어진 슬러지가 탈질을 위한 외부탄소원으로

서 충분히 효과적일 것으로 판단된다.

- 106 -

2.5 가용화액을 이용한 메탄 생산

0

10

20

30

40

50

1 3 5 7 9 11 13 15

time(일)

가스

부피

(ml)

원슬러지 저 SCOD 고 SCOD

그림 4.47 주입 기질 농도별 메탄 생산 변화

실험시작 1일째부터 메탄가스가 발생되기 시작했고 최고 메탄 발생량은 실험 일수

5일째에서 가장 높게 발생했다. 5일째에 메탄 생산량은 가용화되지 않은 원슬러지의

경우 36(ml/d)를 저 SCOD는 38(ml/d)의 값을 가졌으며 고 SCOD의 경우 44(ml/d)로

기질 중 가장 높은 값을 보였다. 모든 주입기질들의 메탄 발생량은 7일 이후로 급격히

감소하면서 15일째에 그 발생이 종료되었다. 원슬러지와 비교하였을 때 저SCOD와

고SCOD는 각각 14%와 30%의 증가율을 보였다.

실험 시작 후 15일 동안의 총 메탄 발생량은 그림 4.48와 같다.

그림 4.48 주입농도 별 누적 가스 생산량 (15일)

- 107 -

메탄 함량 (5일째)

59%58%

65%

45

50

55

60

65

70

원슬러지 저SCOD 고SCOD

메탄(%)

그림 4.49 발생가스 중의 메탄 함량

실험 5일째에서 발생된 메탄의 가스분석결과는 그림 4.49와 같다. 비교해 본 결과

원슬러지와 저SCOD의 메탄함량은 별 차이가 없었으며 고SCOD 원수는와 저SCOD보

다 15% 더 많은 것으로 나타났다.

따라서, 주입 기질 농도간의 메탄 발생량 실험 5일째에 가장 높은 값을 가졌고, 원

슬러지와 저SCOD는 각각 36, 38ml 고SCOD는 44ml로 가장 높은 메탄 발생량을 나타

냈다. 15일동안 발생된 메탄의 누적량을 살펴보면 원슬러지와 비교하였을 때 저SCOD

와 고SCOD는 각각 14%와 30%의 증가율을 보였다. 즉, 높은 SCOD값을 가질수록 메

탄생산의 증가를 알 수 있었으며 본 장치에 의해 가용화된 슬러지의 높은 SCOD는 메

탄발생에 있어 좋은 먹이가 되며 가스 발생량의 증가를 보였다.

2.6 탈수성능 및 인 회수

다음 그림 4.50은 원슬러지(SS 3400mg/L)와 오존 15분 주입 후 3시간 가용화 처리

한 슬러지의 탈수율을 CST 측정을 통하여 비교하였다. 그림 4.50에서 CST가 90에서

300으로 나빠졌는데 이는 슬러지 입자들이 가용화 처리로 인해 파괴되어 밀도가 높아

져서 탈수율이 나빠졌을 것으로 판단된다.

- 108 -

90

300

20

70

120

170

220

270

320

원슬러지 가용화 후

CST(Sec)

그림 4.50 슬러지에 따른 CST 탈수율

원슬러지의 T-P 농도는 5.7mg/L였고 오존 15분 주입 + 가용화 3시간 처리 후에는

19mg/L로 증가하였다. 이것은 슬러지내에 있던 P 성분이 가용화되면서 빠져나와 농도

의 증가를 나타냈다. P 농도 19mg/L인 가용화 슬러지 Al3(PO4)2로 침전시키기 위해

1L에 응집제인 PGAl 1g의 투여하여 침전시킨 결과 1.5mg/L로 P농도가 낮아졌다.

5.7

19

1.5

0

5

10

15

20

원슬러지 가용화된 슬러지 PGAl 응집 처리된 슬러지

T-P(m

g/L

)

T-P(mg/L)

그림 4.51 가용화된 슬러지의 T-P 응집처리

- 109 -

제 5장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도

1. 연구개발 목표 달성도

연구개발 목표 및 평가착안점에 입각한 연구개발 목표의 달성도는 다음의 표 5.1과

같다.

표 5.1 연구목표 및 평가기준에 따른 달성내용

세부연구목표 평가의 착안점 및 기준 달성내용달성도

(%)

물리적 전처리를

고안 및 설계 제작

Cavitation 및 원심회전력,

전단력을 고려한

설계처리용량(10~20L/hr)

20L/hr 또는 총 용량 60L규모의

Cavitation 반응장치 설계 및 제작100

CFD를 이용한

Cavitation발생 예측

설계 제작된 장치와 모델링 값의

비교 분석

CFD를 이용한 cavitation

시뮬레이션(7가지 조건)으로

모델링

100

오존주입실험 0.1-2gO3/hr 에서 최적의

오존량 선정

0.05-0.07 gO3/gSS의

최적 조건 확인100

가용화 실험SCOD 등의 분석을 통한

30%이상의 가용화 정도 파악

300% 이상의 SCOD 증가

(최대 30% 슬러지 가용화 달성)100

탈수성 실험CST를 통해 50%범위의

탈수성 향상 파악가용화 결과 탈수성능 10% 저하 90

메탄발효 실험

대조군과의 비교를 통한

메탄발생량 비교

(Lab scale : 5L/day)

500ml 회분식 반응기 3set이용,

5L Lab scle용 메탄 발효기 운전

메탄발효 30% 정도 향상됨

100

탈질 실험 대조군과의 비교메탄올 보다 제거율 20% 우수,

비 탈질속도 우수함100

최적 운전인자 도출 실험실험결과 종합분석

오존(0.05gO3/gSS) 15분 접촉,

가용화 3시간, pH 9의 최적조건

도출함.

100

1.1. 슬러지 가용화 목표달성 평가

1.1.1. 장치의 간단성 및 경제성

본 가용화 장치는 펌프와 반응기(Powermax), 오존주입장치만으로 간단하게 장치로

구성되어있다. 펌프를 이용하여 대상 하수슬러지와 폐기물을 반응기에 유입시키면 극

렬한 회전과 함께 반응기 내에서 원심력, 속도차에 따른 전단력, 강렬한 혼합, 생물학

- 110 -

적 산화 그리고 내통의 적은 개구공을 통과할 때 발생되는 공동화현상(cavitation)등에

의해 하수 2차 슬러지는 붕괴되고 파괴되어 가용화 된다. 여기에 오존의 강력한 산화

력을 더하면 가용화에 대한 상승작용이 크게 일어날 것으로 기대된다. 또한 본 장치는

타 장치에 비해 저렴한 전력비용과 간단한 구조로 설계되어있어 경제적이기 때문에

타 기술과의 경쟁력이 있다고 판단된다.

1.1.2. 슬러지 가용화

하수 2차 슬러지는 대부분이 미생물로 이루어져 있기 때문에 본 가용화장치를 이용

한다면 SCOD, 상등액COD의 증가율로 보아 가용화가 원활히 이룰 수 있을 것이다.

단순 원통 반응기와 저사양 펌프를 이용한 Run1(13000mg/L)과 Run2(3600mg/L)의 실

험 결과에서는 SS 감소량은 큰 차이가 없으나 감소율에서 상당한 차이를 보였다

(Run1, 6%, Run2, 31%.) SCOD의 증가율은 각각 61%와 48%로 비슷하다. 상등액

COD는 Run1, 252%, Run2, 487%로 큰 차이를 보였다. 이는 본 실험장치에 의하여 1

마이크로 이하까지 분해가 되지 않은 수 마이크로 크기의 콜로이드 수준의 미세입자

들이 많이 발생한 것을 말한다. 즉, 이 실험에서는 1마이크로 이하의 완전한 가용화

보다는 그 전 단계까지의 가용화가 다량 진행되었음을 말한다.

단순 원통 반응기, 저사양 펌프 실험(Run2)과 공동화 장치용 반응기, 고사양 펌프

(Run3)의 실험 결과 SS 감소율(Run2, 31%, Run3, 24%)과 상등액 COD(Run2, 487%,

Run3, 355%)는 큰 차이가 없었다. SCOD 증가율은 큰 차이(Run 2-48%, Run

3-120%)를 보였다. 본 실험 장치와 펌프로 인하여 1마이크로 이하까지 분해가 되지

않은 수 마이크로 크기의 콜로이드 수준의 미세입자들이 가용화가 많이 이루어 졌음

을 알 수 있다. 수 시간 이상 본 가용화 장치를 가동할 경우 보다 획기적인 감량화 및

가용화가 가능할 것으로 예측된다.

슬러지의 가용화에 미치는 pH의 영향을 알아보기 위하여 실험(Run3, pH 7, Run4,

pH 8.5, Run5, pH 9.5)을 수행한 결과, SS의 감소율은 큰 차이(Run3, 24%, Run4, 20,

Run5, 21%)가 없었으며 SCOD 증가율은 Run5에서 2배의 값을 나타내었다(Run3,

120%, Run4, 99%, Run5, 233%). 이것은 pH의 증가가 슬러지 세포벽을 약하게 만들어

슬러지 세포를 파괴시키거나 가용화 장치를 통한 가용화가 손쉽게 이뤄질 수 있게 도

와주는 것을 알 수 있다.

오존 실험에서는 오존 주입 후 가용화 처리시 가장 높은 SCOD의 값을 얻을 수 있

었다. 오존 15분 주입 후 3시간 가용화 처리 한 실험은 단순히 가용화 3시간 한 실험

보다 약 2.5배 높으며 단순히 25분간 오존 처리한 실험 보다는 약 1.5배 높고 가용화

를 먼저 처리 후 오존 주입한 실험보다는 SCOD가 약 1.2배 더 증가하였음을 알 수

있다.

- 111 -

1.1.3. 탈질, 메탄 발생

회분식 탈질 실험결과로부터 메탄올보다 가용화액을 외부탄소원으로 이용하였을 때

NO3-N의 제거가 훨씬 더 잘 이루어졌음을 알 수 있다. 2시간 운전 후 탈질율은 메탄

올의 경우 58%, 가용화액의 경우 78%이었다. 따라서 가용화액이 탈질을 위한 외부탄

소원으로서 충분히 효과적일 것으로 판단된다. 또한 5시간 동안의 평균 비탈질 속도는

가용화 슬러지가 25℃에서 2.69(mg NO3-N/g MLSS·hr)이었고 메탄올는 25℃에서

2.30(mg NO3-N/g MLSS·hr)을 나타내었다. 한편 또한 반응시간 120분에서의 비탈질

속도는 가용화액의 경우 5.43(mg NO3-N/g MLSS·hr)이였으며, 메탄올은 4.93(mg

NO3-N/g MLSS·hr)의 값을 나타내었다. 따라서 가장 높은 효율은 반응시간 120분에

서 일어났음을 알 수 있었다.

메탄 발생실험은 5일째 가장 높이 발생했고 15일간 기질별 메탄 총 발생량은 원슬러

지는 229mL/d이고 전SCOD는 262mL/d, 고SCOD는 298mL/d로 고SCOD가 가장 많이

발생했다. 또 한 발생량중 메탄 함량은 원슬러지가 59%, 저SCOD는58%로 큰 차이 없

었으나 고SCOD는 65%로 원슬러지나 저SCOD보다 15% 더 많은 함량을 가진 것을

확인할 수 있었다.

1.1.4. 인 회수

인제거 실험은 원슬러지에서 T-P 5.7mg/L의 농도가 오존(15min) + 가용화(3hr)

처리 후 T-P 19mg/L로 증가하였다. 따라서 가용화 슬러지 Al3(PO4)2로 침전시키기

위해 1L에 응집제인 PGAl 1g의 투여하여 침전시킨 결과 1.5mg/L로 P농도가 낮아졌

다.

1.2. 슬러지 가용화 장치의 운영인자

1.2.1. 슬러지 가용화 운영인자 도출

2차 슬러지를 가용화한 결과 설계는 회분식 공정에서는 펌프 및 저장조의 용량에

따라 반응기(Powermax)를 변경 설계해야하며, 반응기의 용량 및 Cavitation 정도에

따라서 펌프의 용량을 산정해야 한다. 본 실험에 사용된 펌프의 용량은 단순 원통 반

응기 33L의 처리를 위해 저사양 수중 펌프(온양정 3m일 때 양수량 145L/min)와 흡입

펌프(온양정 12m일 때 양수량 25L/min)를 사용하였다. 공동화 장치용 반응기 25L의

처리를 위해서는 고사양 수중 펌프(온양정 6m일 때 170L/min)와 흡입펌프(온양정

52m일 때 50L/min)를 사용하였다. 공동화를 위한 복합 반응기와 고사양 펌프를 사용

한 결과 SS 감소율, 상등액COD의 증가율은 비슷하였지만 SCOD는 단순 원통 반응기

와 저사양 펌프를 사용했을시 비교하여 볼 때 약 3배 정도 높은 효율을 보았다.

또한 pH의 영향도 고려할 수 있는데 pH의 변화 실험(pH7, 8.5 9.5) 결과 pH의 변

- 112 -

화는 슬러지의 세포를 붕괴시키고 파괴시켜 가용화하는데 큰 영향을 끼치는 것을 알

수 있었다.

향후 적절한 펌프의 운전인자(KW/hr)와 오존 주입율(gO3/gSS), 반응시간, 적정

pH 등에 관한 추가 실험을 수행할 예정이다.

표 5.2 독일biogest사와의 연구개발 성과 비교

평가항목

(주요성능 Spec)

비중

(%)

세계최고수준

(보유국/보유기업)

연구개발전

국내수준개발목표치 개발의 결과

1. 장치의 간단성 10단순구조

(독일 /biogest사)

대부분의

장치가 복잡함

간단구조의

장치개발

펌프, 반응조,

compressor로

간단함

2. 슬러지

가용화 정도

(SCOD증가율)

30소화가스증가량30%

(독일 /biogest사)

타 기술의

소화가스증가량

은200%

본 장치로

SCOD 30%

증가 달성

SCOD 증가:

30-410%

3. 슬러지

감량화 정도30

VS감량화율20%

(독일 /biogest사)

타 기술의

감량화율은 약

70%정도

본장치로

50% 정도

감량화

SS감량:

24-86%

4. 장치의 경제성 10비용이 저렴

(독일 /biogest사)

타 기술은

효율은 좋으나

고가격

저 비 용 의

장치 개발

펌프전기동력만

사용되어 저렴

2. 경제적 성과 및 기술발전 기여도

2.1 경제적 성과

현재 전국의 하수처리장에서 발생하고 있는 슬러지량은 년간 230만톤이다. 2012년

부터 슬러지의 해양투기가 전면 금지되기 때문에 슬러지 처리가 큰 문제가 될 것이다.

현재 해양투기는 톤당 약 2-4만원(평균 3만원/톤), 소각의 경우에는 톤당 6만원, 그리

고 메탄발효의 경우도 톤당 6만원정도 비용이 드는 것으로 알려져 있다.

본 공법을 적용할 경우, 슬러지 발생량은 80%이상 줄어들 수 있다. 슬러지 감소로

말미암은 처리장 운전비용은 전체 처리장 운전비의 60% 수준으로 줄어들게 된다. 현

재 국내 하수고도처리비용이 톤당 400원(환경관리공단, 2005)정도 인데 본 공법을 적

용할 경우 240원으로 약 40% 운전비용 절감이 가능할 것으로 보인다. 또한 탈질용 메

탄올공급 비용도 절약이 가능하다. 약 30%의 처리장에서 본 공정을 적용할 경우를 가

정하여 계산하면 경제적 효과는 다음과 같다.

- 113 -

1. 슬러지 해양투기비용 절약 = 230만톤X0.3X0.8X3(만원/톤) = 166억원/년

2. 슬러지 소각 비용 절약 = 230만톤X0.3X0.8X6(만원/톤) = 332억원/년

3. 탈질용 메탄올 약품비;

하수량 1톤/일X25gN/톤 X5(g메탄올/gN)X1.5(원/g메탄올) = 113원/톤/일

4. 전체 처리장의 30%에 적용할 경우, 그리고 실제 메탄올은 계산값의 절반만

필요하다고 가정하면,

2300만톤X0.3X113원X0.5 = 3.9억/일 ==> 1423억/년과 같이 되어 년간 1400억 원

정도의 운전비 절감효과가 기대된다.

실제 충북의 oo 하수처리장에 본 공법을 적용할 경우 경제성 평가 결과는 다음과 같다.

그림 5.1 표준 A/S를 이용한 처리 공법

2만톤 하수처리 시설에서 현재 1일 94m³의 슬러지가 발생하고 있는데 여기에 슬러지 가

용화장치인 COS(Cavitation-Ozonation Solubilization Facility)장치를 이용하여 고도처리

시설로 개선할 경우 슬러지 발생량은 19m³/d로 개선전보다 1/5로 감소될 것으로 보인다.

최종처분 슬러지량도 1/4로 감소하여 개량전 12m³/d에서 2m³/d로 크게 줄어들게 된다.

그림 5.2 COS 장치를 이용한 고도처리

- 114 -

인건비 전력비 약품비 개보수비 슬러지처리비 기타 총계

표준

(현상태, 억원)3.0 1.06 0.3 0.26 0.80 1.4 6.82

COS(억원) 3.0 1.10 0.1 0.26 0.15 1.4 6.01

표 5.3 COS 공법과 표준A/S 공법의 유지비 비교

표 5.4 COS 공법과 타 공법과의 비교

표준A/S 공법 고안 장치 개조 고도처리개조 신설고도처리

건설비 240억 280억 320억 360억

유지관리비 6.82억 6.01 8.76 8.0

특성

해양투기,

소화조 없음

N, P제거 미미

하수 및 슬러지

오염심화

내부 순환 없는

간단한 BNR

탈수용랭

80%이상저감 및

약품, 전력비 저감

질소 및 인 제거 효율

극대화

질소,인 제거

소화조설치

질소, 인 제거

분리농축(1차, 2차)

소화조설치

고도처리 공정 및

슬러지처리공정

수용

위 표5.3, 5.4와 같이 건설비와 운전비를 비교해 보았을 때, 건설비는 40~80억원 절감 할

수 있으며 운전비는 년간 8천만원 절감 효과를 볼 수 있다. 일반 하수처리(AS)건설비는 톤

당 120만원이며, 고도하수처리 건설비는 톤당 393만원(환경부 2~5만톤/일 규모)이다. 고도

처리 개조비용은 AS(120만원)+40만원 = 톤당 160만원인데 COS 개조비용은 AS(120만원)

+ 20만원 = 톤당 140만원에 불과하다. 그리고 일반 고도처리 운전 비용은 톤당 390원(10만

톤 미만)인데 비하여 COS 적용시 운전비용은 톤당 82원으로 20% 수준으로 줄어들 것으로

예상된다.

2.2 기타성과

기술적 측면에서 보면 원심력, 전단력, 공동현상 등의 물리적 현상을 응용하여 개

발한 기술이고 그러면서도 단순구조의 공정인 것이 특징이고 환경적 측면에서의 성

과는 저비용으로 버려지는 유기성 폐기물(하수 2차 슬러지)의 부피를 감량화하여 전체

발생량을 감소시키는데 일조를 하고 향후 바이오가스 발생기술과 연계하여 수소 및

바이오가스라는 에너지자원으로 활용이 가능하며 슬러지 소각시 발생하는 대기 오염

및 매립시 문제가 되는 침출수의 지하수 오염 등.. 환경문제를 해결할 수 있다.

- 115 -

제 6장 연구개발 결과의 활용계획

본 과제의 후속 과정으로써 실용화를 준비 중이며, 채택될 경우 다음과 같은 추가

연구를 추진할 계획이다.

1. 1차년도의 연구개발 내용

1) CFD 구성 및 현상 규명

전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 프로그램을 이용 가용화 처리공

정을 구성하고 최적의 설계 및 운전인자를 도출한다.

2) 유기성가용화장치의 성능 개선 및 최적운전 조건 도출

① 소규모 설계인자실험용 Lab scale 장치를 이용하여 조건에 따른 가용화 처리속도

측정

② 처리가속화 공정 결합에 따른 가용화처리속도 측정

- 물리적 캐비테이션 장치(벤츄리 장치)

- 오존투입

- 열처리(수온증가)

- 알카리처리

③ 원슬러지 농도에 따른 가용화 처리속도(0.1~1.0%, 원슬러지농도) 측정

④ 원슬러지에 성상(1차슬러지, 2차슬러지, 음식물쓰레기)에 따른 처리속도 측정.

여기서, 가용화처리속도 = SCOD증가량/처리부피/단위시간/단위동력

3) 연구개발용 가용화장치의 설계 및 제작

① 소규모 설계인자 실험용 Lab scale 장치 설계 및 제작 (10~40L 규모)

② Piolt (처리용량 100~200L 규모)의 가용화 장치 설계

파일럿 크기 : 지름 500mm x 높이 1,000mm

2. 2차 년도의 연구개발 내용

1) 파일럿규모 장치의 제작 및 응용적용

파일럿 규모(1일 하수처리 용량 4~8m³, 슬러지 처리용 가용화 장치 용량

100~200L, 지름 500mm x 높이 1,000mm) 장치를 설계 제작하여 현장 적용 실험을 진

행하며, 가용화된 슬러지는 소화조 및 탈질처리의 효율개선에 사용한다.

① 소화조 개선 적용(혐기성 소화조, 용량 0.5m³, 체류시간 20일)

② 탈질처리공정 개선 적용(탈질 반응조 용량 1m³, 체류시간 6시간)

2) 경제성 평가 : 선진외국기술과의 처리속도 비교

단위시간, 단위동력, 단위 처리량당 SCOD 발생량을 파악하여 선진외국기술과 비교

- 116 -

한다. 슬러지, 음식물쓰레기, 가축폐수등)을 대상으로 미립화나 가용화 정도를 파악하

고 병합처리로 오존이나 알칼리를 투입하게 되면 빠른 시간 내 가용화율을 높여 SS의

감량은 물론 생물학적 고도처리를 위한 외부탄소원 공급이나 유용한 바이오가스의 대

량생산 및 공급이 가능한 다양한 전처리로 활용하고자 하는 것이다. 향후 현장을 대상

으로 활성슬러지 처리장을 단 시간내 감량화 시키면서 메탄발생량을 최대화하여 폐기

물을 직접 에너지원으로 활용하는데 있다.

3. 연구개발결과의 활용방안 및 기대 성과

3.1 연구개발결과의 활용방안

초음파, 오존처리, 전자빔, 분쇄, 가온처리, 열적처리, 화학적 처리 등의 전처리 공정

들은 복잡성과 처리과정의 문제발생 그리고 처리효율 자체가 낮거나 처리효율 대비

경제성이 떨어지는 단점이 있는데 본 기술을 이용하여 슬러지를 처리 할 경우 슬러

지 감량과 가용화가 일어나 하수처리장 소화조의 소화율 증가, 슬러지 탈수율 증가로

인해 슬러지 처리 비용이 감소하고 음식물쓰레기와 함께 처리하여 하수처리장 외부

탄소원으로 공급이 가능해 하수처리장의 비용감소 효과와 바이오가스등 에너지원으

로 활용 할 수가 있어 경제적이라고 할 수가 있으며 에너지 산업에도 새로운 에너지

원으로 공급이 가능하다. 추후에 상용화나 실증화 사업에 참여하여 본 연구를 실용화

시켜 나갈 예정이다.

3.2 기대성과

(1) 기술적 측면

① 원심력, 전단력, 공동현상등의 물리적 현상을 응용한 개발기술임

② 단순구조의 공정임

③ 고효율의 혐기성 발효를 통한 바이오가스 발생기술임

(2) 환경적 측면

① 버려지는 유기성 폐기물을 바이오가스라는 에너지자원으로 활용함

② 슬러지 소각시 발생하는 대기 오염 및 매립시 문제가 되는 침출수의 지하수 오염 등의

환경문제를 해결함

③ 하수처리장에서 외부탄소원공급원의 역할을 할 수 있음

④ 소화조 효율을 향상시켜 슬러지 발생량을 최소화

⑤ 부생가스 발생량을 극대화

⑥ 슬러지 탈수효율을 향상

- 117 -

(3) 경제적 • 산업적 측면

① 기존 하수 슬러지와 음식쓰레기를 간단한 원리의 기계적 장치와 소량의 오존으로

처리하므로 초기투자 비용이 적고 유지관리가 간편할 것으로 기대

② 전처리된 하수슬러지와 음식쓰레기를 혐기성 생물처리에 의해 슬러지의 감량화와

메탄등 유용한 바이오가스 획득이 가능하다. 기술 보급시 비용에 대한 부담이 없어

여러 곳에 적용이 가능

③ 전처리조 구조의 경우 단순한 반응조이나 여러 가지 처리기작을 보유하므로 여러

분야에 적용 잠재력이 있음

④ 바이오 가스 생산 장치에 대한 국내 기술축적이 가능

- 118 -

- 119 -

제 7장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보

본 연구개발 과정에서 수집한 해외 과학기술3)4)5)은 다음과 같이 간단히 요약하였다.

1. 기존 전처리 기술의 외국사례

1.1 기계적 처리

기계적 슬러지의 전처리는 동역학적 에너지 주입에 의한 전단력에 의해 미생물의

세포벽을 파괴하는 것이다. Milling에 의하여 90%의 슬러지 미생물이 파괴되었지만 이

를 위하여 고형물 kg당 60MJ의 에너지를 소비하였다. Kunz 등은 이와 유사한 ball

mill을 Phoredox 하수처리장에 도입, 하수처리수와 슬러지소화를 하나의 조에서 운전

한 결과, 38%의 슬러지 생산량을 줄일 수 있었으며 SBR 공정에 적용한 결과 약 80%

의 슬러지 감량을 보고하고 있다. 독일에서 같은 방식의 전처리 설비로 슬러지를 처리

하여 탈질을 위한 외부 탄소원으로 사용한 결과 65%의 슬러지 생산량을 줄일 수 있

었다고 보고하고 있다.

한편, 대규모 운전에 보편적으로 쓰이고 있는 기계적 전처리 장치 중 하나가 고압

homogeniser(HPH)이다. 슬러지에 60MPa정도의 압력을 가한 후 노즐로 분사 충격 링

에 뿜어주면 슬러지는 교란이나 공동, 전단력에 의하여 세포 파괴를 유도하는 방법이

다. HPH는 비교적 낮은 에너지 범위(30~50HJm-3) 내에서 약 85%까지 셀을 파괴할

수 있는 것으로 보고되고 있다. Neis등은 혐기성 소화 공정에 초음파 처리를 도입하여

45~50%의 소화효율을 증가 시켰을 뿐만 아니라 소화 체류시간을 22에서 8일로 단축

시켜 보았을 때도 소화효율 저하가 발생하지 않았음을 보고하고 있다. 셀 파괴의 측면

으로 보았을 때 기계적 전처리는 매우 효과적인 방법임에는 틀림이 없지만 이의 적용

에 있어 문제점은 높은 에너지 레벨을 필요로 하는 것이다.

3) Ludovico Spinosa ․ P.Aarne Vesilind (2007）슬러지의 진화, 동화기술

4) 김래현 (2005) 바이오매스의 에너지 변환과 산업화, 아진

5) 한국특허정보원 (2006) 하,폐수 슬러지 처리 및 자원화 기술 및 시장 특허분석 보고서, 산업자료 센터

- 120 -

• 혐기성 소화 공정에 초음파 처리를 도입하여 45~50%의 소화효율을 증가

• 소화 체류시간을 22에서 8일로 단축

• 문제점- 높은 에너지 레벨을 필요

Neis등

• 슬러지에 60MPa정도의 압력을 가한 후 노즐로 분사 충격 링에 뿜어주어

슬러지의 세포 파괴를 유도하는 방법

• HPH는 비교적 낮은 에너지 범위(30~50HJm-3) 내에서 약 85%까지 셀을

파괴할 수 있는 것으로 보고

Homogeniser(HPH)

• 전처리 설비로써 탈질을 위한 외부 탄소원으로 사용 결과

- 65%의 슬러지 생산량을 줄일 수 있음을 보고독일

• 유사한 ball mill을 Phoredox 하수처리장에 도입

• 하수 처리수와 슬러지소화를 하나의 조에서 운전한 결과

- 슬러지 생산량 38% 감소

- SBR 공정에 적용 시 슬러지 생산량 약 80% 감소

Kunz 등

• 90%의 슬러지 미생물이 파괴

• 이를 위해서는 고형물 kg당 60MJ의 에너지 소비가 필요Milling

연구 결과연구자 및 공법

• 혐기성 소화 공정에 초음파 처리를 도입하여 45~50%의 소화효율을 증가

• 소화 체류시간을 22에서 8일로 단축

• 문제점- 높은 에너지 레벨을 필요

Neis등

• 슬러지에 60MPa정도의 압력을 가한 후 노즐로 분사 충격 링에 뿜어주어

슬러지의 세포 파괴를 유도하는 방법

• HPH는 비교적 낮은 에너지 범위(30~50HJm-3) 내에서 약 85%까지 셀을

파괴할 수 있는 것으로 보고

Homogeniser(HPH)

• 전처리 설비로써 탈질을 위한 외부 탄소원으로 사용 결과

- 65%의 슬러지 생산량을 줄일 수 있음을 보고독일

• 유사한 ball mill을 Phoredox 하수처리장에 도입

• 하수 처리수와 슬러지소화를 하나의 조에서 운전한 결과

- 슬러지 생산량 38% 감소

- SBR 공정에 적용 시 슬러지 생산량 약 80% 감소

Kunz 등

• 90%의 슬러지 미생물이 파괴

• 이를 위해서는 고형물 kg당 60MJ의 에너지 소비가 필요Milling

연구 결과연구자 및 공법

표 7.1 기계적 처리의 외국사례

1.2 화학적 처리

화학적 전처리는 산이나 염을 슬러지에 첨가하여 셀을 가수분해하는 방법으로 높은

온도를 사용해야하는 열처리에 비해 상대적으로 매우 낮은 온도에서도 같은 슬러지

가용화율을 얻을 수 있는 방법이다. 화학적 전처리에 대한 Inagakie등의 연구내용을

살펴보면 35℃에서 pH를 9로 유지시키기만 해도 슬러지 분해율이 35% 증가하며 혐기

성 소화시켰을 때 고형물 감량 효율이 60%에 달하였다고 주장하였다.

Smith와 Goransson은 H2SO4를 이용하여 전처리를 시행하여 슬러지의 30~50%를 가

용화 시켰다.

- 121 -

• H2SO4를 이용하여 전처리를 시행

- 슬러지의 30~50%를 가용화 시켰다.Smith와 Goransson

• 35℃에서 pH를 9로 유지

- 슬러지 분해율 35% 증가

• 혐기성 소화에 적용 시

- 고형물 감량 효율이 60%에 달함

Inagekie

연구 결과연구자 및 공법

• H2SO4를 이용하여 전처리를 시행

- 슬러지의 30~50%를 가용화 시켰다.Smith와 Goransson

• 35℃에서 pH를 9로 유지

- 슬러지 분해율 35% 증가

• 혐기성 소화에 적용 시

- 고형물 감량 효율이 60%에 달함

Inagekie

연구 결과연구자 및 공법

표 7.2 화학적 처리의 외국사례

2. 슬러지 전처리 기술의 국가별 특허 동향

2.1 기술별 특허동향의 외국 사례(한국, 미국, 일본)

2.1.1 한국의 기술분야별 특허 동향

연도별 그림에서 한국의 경우 기계, 물리적 및 화학적 전처리가 비슷한 출원량을 보이

며, 생물학적 전처리 기술레 비해 많은 충원양을 나타냄을 알 수 있다. 3가지 전처리 기

술들은 ‘90년대 중후반부터 출원양을 증가하기 시작하고, ’99년과 2002년도에 각각 변곡점

을 가짐을 알 수 있다. 구간별 그림을 살펴보면, 기계/물리, 생물, 화학적 전처리 모두 구

간별로 출원양이 증가하였고, 출원양의 대부분이 ‘97~2000, 2001~2004년도에 집중되는 것

을 알 수 있다. 표 및 그림으로 나타낸 기술별 구간별 특허건수는 아래의 그림 7.1과 같

다.

그림 7.1 한국의 기술별 구간별 특허건수

- 122 -

2.1.2 미국의 기술분야별 특허동향

연도별 그림에서 미국의 경우 화학적 전처리가 가장 많은 등록양을 보이며, 생물학

적, 물리/기계적 전처리순으로 나타난다. 대체적으로 완만한 곡선을 나타내지만, 생물

학적 처리에 있어서 ‘99~2001년도에 등록양이 급격하게 증가하였음을 알 수 있다. 구

간별 그림 7.2를 살펴보면 기계/물리, 생물, 화학적 전처리 모두 구간별로 등록양이 증

가하는 것을 알 수 있다.

그림 7.2 미국의 기술별 구간별 특허건수

2.1.3 일본의 기술분야별 특허동향

연도별 그림에서 일본의 경우 화학적전처리가 가장 많은 충원양을 보이며, 물리/기

계적 전처리는 비슷한 수준을 보인다. 화학적전처리는 ‘96년과 2001년에 급격하게 출

원양이 증가한 것을 알 수 있다. 구간별 그림 7.3을 살펴보면, 전반적으로 상승하고 있

으나, 화학적 전처리의 증가폭이 가장 큰 것을 알 수 있다.

- 123 -

그림 7.3 일본의 기술별 구간별 특허건수

2.2 슬러지 전처리 기술의 전체적 경향

슬러지 전처리 기술의 국가별 점유율을 살펴보면, 일본이 659건으로 48%의 가장 높

은 점유율을 나타냈으며, 그 다음으로 한국어 382건으로 28%, 미국이 323건으로 24%

를 나타내고 있다.

기술별 점유율을 살펴보면, 한국, 미국, 일본 모두 화학적 전처리가 가장 높은 점유

율을 나타내고 있는데, 가용화 효율과 경제성이 높기 때문에 화학적 전처리 기술의 특

허출원(등록)양이 가장 높은 점유율을 나타내고 있는 것으로 사료된다.

슬러지의 자원화의 전체적인 경향을 살펴보면 미국과 일본은 슬러지의 자원화는 ‘90

년대 중반에 정점을 이루는 반면 한국은 2004년에 정점을 이룬다. 이것은 미국과 일본

의 슬러지의 환경오염 등의 문제로 인한 규제가 한국보다 빨리 시행되었고 한국은 최

근의 슬러지의 매립금지와 해양투기 규제 강화에 대한 정부의 정책으로 출원이 증가

하는 것으로 판단된다.

- 124 -

- 125 -

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- 130 -

- 131 -

시간(분) SS(mg/L)상등액

COD(mg/L) SCOD(mg/L)*10

0 13000 508 610

5 12850 863 750

10 12900 1241 630

30 12850 1168 690

60 12700 1387 730

90 12650 1341 1030

120 12600 1680 930

150 12500 1720 940

180 12200 1790 980

시간(분) SS(mg/L) 상등액

COD(mg/L)

SCOD(mg/L)*10

0 3600 266 600

5 3700 390 620

10 3800 413 620

30 3200 698 670

60 3400 642 710

90 2600 968 770

120 2700 1315 860

150 2600 1452 850

180 2500 1561 890

구분　 SS 감소율 SCOD 증가율 상등액 COD 증가율

Run1

(SS 13000mg/L)

6% 61% 252%

Run2

(SS 3600mg/L)

31% 48% 487%

부록

1. 실험 data

표 1. Run1 실험에서 SS, SCOD, 상등액 COD의 변화 (그림 4.27)

표 2. Run2 실험에서 SS, SCOD, 상등액 COD의 변화 (그림 4.28)

표 3. SS 농도별 가용화율의 비교 (그림 4.29)

- 132 -

시간(분) SS(mg/L) 상등액

COD(mg/L)

SCOD(mg/L)*10

0 4600 340 2000

5 3500 1190 1800

10 3800 1390 2000

30 3500 1700 2000

60 3700 2140 2600

90 3300 2380 2300

120 3300 2520 2700

150 3200 3150 3500

180 3500 2870 4400

시간(분) SS(mg/L)상등액

COD(mg/L) SCOD(mg/L)

0 4000 750 727

5 3900 553 768

10 3700 1163 648

30 3900 1907 662

60 3800 2106 785

90 3760 1690 972

120 3300 2006 1032

150 3400 2351 1200

180 3200 2593 1445

　구분 SS 감소율 SCO 증가율 상등액 COD 증가율

Run2 31% 48% 487%

Run3 24% 120% 455%

표 4. Run3 실험에서 SS, SCOD, 상등액 COD의 변화 (그림 4.30)

표 5. 반응기, 펌프종류에 따른 가용화율 비교 (그림 4.31)

표 6. Run4(pH 8.5)에서의 SS, SCOD, 상등액 COD의 변화 (그림 4.33)

- 133 -

시간(분) SS(mg/L) 상등액

COD(mg/L)

SCOD(mg/L)

0 3800 624 205

5 4000 769 222

10 3700 1059 218

30 3500 1645 273

60 3500 1870 296

90 3100 1885 332

120 3000 2190 419

150 3100 2462 544

180 3000 2655 682

시간(분) SS(mg/L) SCOD(mg/L)

0 2900 310

5 2600 418

15 2300 745

25 2400 1050

구분　 SS 감소율 SCOD 증가율 상등액 COD증가율

Run3 (pH 7) 24% 120% 455%

Run4 (pH 8.5) 20% 99% 246%

Run5 (pH 9.5) 21% 233% 325%

구분 SS 감소량 SCOD 증가량 상등액 COD 증가량

Run 3 1100 240 1547

Run 4 800 718 1843

Run 5 800 477 2031

표 7. Run5(pH 9.5)에서의 SS, SCOD, 상등액 COD의 변화 (그림 4.34)

표 8. 가용화에 미치는 pH의 영향 (그림 4.35)

표 9. pH 변화에 따른 SS, SCOD, 상등액 COD의 변화량 (그림 4.36)

표 10. 오존 처리 실험 후의 SS, SCOD의 변화 (그림 4.37)

- 134 -

시간(분) SS(mg/L) 상등액COD(mg/L) SCOD(mg/L)

원수 3400 455 350

오존(15분) 2600 1265 1239

10 2400 1535 1270

30 2300 1593 1286

60 2200 1735 1257

90 2000 1855 1329

120 1900 1965 1355

150 1800 2069 1448

180 1700 2185 1515

　구분 SCOD(mg/L)

가용화(3hr) 617

오존 25min 1050

가용화(3hr)+오존(25min) 1300

오존(15min)+가용화(3hr) 1515

구분 SCOD(mg/L)

가압형 공동화 (14hr) 9.7

초음파 24.6

오존+공동화 (본연구,1hr) 24.5

구분 Δg SCOD/g COD

초음파 0.39

오존 0.1

가압형공동화

(벤츄리2개,14hr)0.14

오존+공동화 (본연구,1hr) 0.3

표 11. 오존 주입 후 가용화 처리시 SCOD 변화 (그림 4.39)

표 12. 가용화 반응 조건별 최종 SCOD 농도의 비교 (그림 4.40)

표 13. 타 연구결과와의 비교(1) (그림 4.41)

표 14. 타 연구결과와의 비교(2) (그림 4.43)

- 135 -

시간 0 5 15 30 60 90 120 180 240 300

메탄올 1 35 25 28 26.5 25.1 25.9 22 20.1 19.5 18

메탄올 2 34 26 20 16.5 15.5 14.9 14.3 12.1 11.7 11

시간 0 5 15 30 60 90 120 180 240 300

가용화

슬러지

28 23 20.6 18.8 16 13.4 6.3 2.3 1.9 1.1

메탄올 2 34 26 20 16.5 15.5 14.9 14.3 12.1 11.7 11

구분 NO3-N제거율가용화슬러지 78

메탄올2 58

메탄올1 27

구분 메탄 발생량(ml)

원수 229

저 SCOD 262

고 SCOD 298

구분 메탄 함량(%)

원슬러지 59

저SCOD 58

고SCOD 65

　구분 T-P(mg/L)

원슬러지 5.7

가용화된 슬러지 19

PGAl응집처리된

슬러지

1.5

표 15. 외부탄소원으로 메탄올 사용 시 NO3-N의 농도 변화 (그림 4.44)

표 16. 외부탄소원에 따른 NO3-N의 변화량 (그림 4.45)

표 17. 2시간 후의 NO3-N의 제거율 (그림 4.46)

표 18. 주입농도 별 누적 가스 생산량 (15일) (그림 4.48)

표 19. 발생가스 중의 메탄 함량 (그림 4.49)

표 20. 가용화된 슬러지의 T-P 응집처리 (그림 4.50)

- 136 -

<연구 성과물>

공동화(Cavitation) 현상을 이용한 하수슬러지의

가용화에 관한 연구

A Study of Sludge Solubilization using the Cavitation

강성욱6) ･김동하･이수영7)

Kang, sungouk • Ki m, dongha • Lee, sooyoung

국민대학교 건설시스템공학부 • (주)엔지에스티

1. 서 론

국내의 경우 05년 말 현재 하수슬러지의 77%를 해양배출하고 있고, ‘96의정서 발효

와 함께 폐기물의 해양배출기준을 대폭 강화하였다. 따라서 하수슬러지의 육상처리기

반을 확충하기 위한 체계적인 계획 수립 필요하다.

하수슬러지 및 음식물쓰레기 등의 유기성폐기물 처리에 대한 연구 및 개발은 국내․외적인 주요 관심사 중의 하나이다. 그러나 지금까지 개발된 초음파, 오존처리, 전자빔,

분쇄, 가온처리, 열적처리, 화학적처리 등의 전처리 공정들은 복잡성과 처리과정의 문

제가 발생되었고, 처리효율 자체가 낮거나 처리효율 대비 경제성이 떨어지는 단점이

있었다. 현재 기술들은 국내 적용실적이 부족하며, 환경신기술은 오존을 이용한 슬러

지 가용화 방법만이 지정되어 있는 실정이다.

공동화(Cavitation)는 유체의 속력이 증가하게 되면 유체 내의 압력이 국소적으로 액

체의 포화 증기압 이하로 저하되는데, 이 때 액체 내에는 물 분자와 비응축성 기체 분

자로 이루어진 Cavitation cloud가 발생하게 된다. 유속이 감소하면서 압력이 회복되

면 각각의 Cavitation bubble은 수축-재팽창(rebound)-붕괴의 과정을 거친다. 붕괴되

는 기포 주위에는 기포 및 계면 구성 물질로부터 유리된 라디칼(hydroxyl group과

H2O2 등)을 생성시킨다. 기포 주위에 생성된 라디칼과 초 고충격파, 초고압 마이크로

제트 등은 미세 반응기처럼 작용한다. 이때 고온과 수 GPa 의 압력으로써 주위의 물

체를 산화, 분해, 침식, 절삭시키게 된다. 공동화에 의해 발생하는 순간적인 고압(high

pressure), 전단응력(jet stream)과 고온(hot-spots)에너지에 의하여 Sludge Floc구조

6) 국민대학교 건설시스템공학부 E-mail: med1024@kookmin.ac.kr

7) (주)엔지에스티 E-mail: sylee@ngst.co.kr

- 137 -

에 물리-화학적 변화를 일으켜 Sludge Floc구조가 파괴된다. 나아가 미생물의 세포막

(벽)이 파괴(분해)되는데, 고온에 따른 세포막의 세포막 파괴로 내부에 차단되었던 유

효 탄소원이 방출되는데 이를 난분해성 물질의 저분자화(유기물 가수분해)라고 한다.

본 연구는 공동화 현상을 이용하여 간단하면서도 경제적인 유기성 폐기물의 가용화장

치를 개발하는데 그 목적이 있다.

2. 연구 방법

2.1. 실험장치

공동화(Cavitation)를 이용한 전처리장치는 침전지의 반송 및 폐기되는 슬러지를 이용

하여 가용화하기 위한 장치이다. 전처리장치의 원수탱크는 500L의 FRP재질로 제작되

었으며, 원수탱크내부의 슬러지를 이송하기 위한 양정 20m의 수중펌프가 장착되어있

다. 수중펌프에 의해 원수유입관경 50㎜에서 전처리장치 도입부에 관이 32㎜로 축소

되면서 1차 Cavitation을 유도하였다. 전처리장치는 122L이며, 유입된 유체는 제1내

통의 하부에서 상향으로 고속회전을 하면서 외통과 제2내통으로 이동하게 된다. 빠른

유속과 마찰이 발생하도록 제1내통 외벽에 각 2×10㎝의 홈을 2～3개두어 노즐효과

를 유도하였다.

전처리장치 상부 50㎜의 2개의 관을 통하여 원수탱크로 다시 유입되며, 전처리장치

하부 50㎜의 관으로부터 2차 Cavitation발생을 유도하기 위해 양정 10m, vortex

pump로부터 흡입된다. 관경 32㎜로 전처리장치에 재 유입되며, Cavitation이 극대화

되도록 하였다. 또한 흡입 후 순환되는 Line에 2.5Hp의 Air Compressor를 두어 공

기가 주입되도록 설계하였다.

Fig. 1 Sludge solubilization equipment with the cavitation

2.2. 시료 및 실험방법

공동화(Cavitation)를 이용한 슬러지가용화의 효율과 기초실험은 Table 1과같이 5개

항목의 샘플시료를 선정하였다. 각 샘플시료에 대해 적절한 희석과 전처리를 실시한

후 본 장치의 원수로 사용하였다.

Table 1. Experimental conditions for sludge solubilization

슬러지 종류 1차 S(1780mg/L), 2차 S(1270mg/L), 음식물(1880mg/L)

농도 실험 저(1933mg/L), 중(5100mg/L), 고(9338mg/L)

온도 실험 20℃, 35℃, 50℃

각 시료는 서울시의 J하수처리장에서 채취하여 수돗물로 적절하게 희석·농축한 후 실

- 138 -

험에 즉시 사용하였다. 음식물쓰레기는 서울에 소재한 K대학교의 학생식당에서 회수

하였다. 음식물 쓰레기의 균일한 입자를 추출하기 위해서 후드믹서

HMF-1000(220VAC/60Hz, 680w, 500㎖, Hanil Co,.) 분쇄기를 사용하였다. 약 300

㎖정도의 음식물을 분쇄기에 채워서 분쇄, 커터 과정을 5회 이상 반복한 후 1mm직경

으로 된 망 채를 이용하여 1mm정도의 균일한 입자를 회수하였다. Tab Water와 혼합

하여 희석 후 SS농도 1800mg/ℓ로 본 실험에 사용하였다. 희석 후 각 시료의 특성은

Table 2와 같다.

Table 2. Characteristics of sludge and food wastes

Items pHTemp

(℃)

MLSS & SS

(mg/ℓ)

Supernatant

CODMn

(mg/ℓ)

SCOD

(mg/ℓ)

2차 슬러지 6.86 19.8 1273.3 8.2 11.2

1차 슬러지 6.61 19.7 1777.8 27.5 22.4

고농도2차 슬러지 6.58 14.7 9333.3 35.3 23.5

고온2차 슬러지 6.72 54.6 1933.3 17.2 28.3

음식물쓰레기 5.64 11.7 1883.3 1610 115

각 항목들을 대상으로 시간변화에 따른 가용화 정도를 파악하였다. 균일 혼합과 실험

조건의 획일성을 유지하지 위해 원수조의 3/4지점, 약 300H 에서 시료 채취하고,

- 139 -

STIRRER(CHANG SHIN MSH-1)로 1분간 혼합하여 10분간 침전 후 분석에 사용하

였다.

각 시료별 가용화 정도를 파악하기 위해 성상별 원수를 원수조에 400～500L까지 채

운 후 시간에 따라 0～60min의 범위에서 각각의 시간변화에 따른 SS, 상등액COD,

SCOD를 분석하여 가용화 효율을 알아보았다. 각 항목에 대한 분석은 수질오염공정시

험법과 Standard Methods(APHA, 2000)에 기준하여 수행하였다.

3. 결 과

본 실험 수행에 따른 조건 및 Scale적인 요소에 있어서 Lab Scale에 따른 조건을 완

전히 만족하기에는 어려움이 발생되었다. 첫째, 적정한 슬러지 시료량을 확보하는 것

이 매우 어려웠다. 본 실험에서 Storage Tank는 약 700L로써 1회 실험을 수행할 때,

슬러지의 완전한 교반과 이동성에 따른 제약이 있었다. 둘째, 슬러지 가용화 촉진을

위한 장치인 vortex pump는 30분 이상 가동할 경우 내부에서 발생하는 열 때문에

고온과 소음이 발생되어 더 이상의 실험을 지속하기가 어려웠다. 슬러지 전처리 장치

에서 추가적인 Cavitation 유도를 위한 vortex pump의 흡인능력이 내부의 유량에 비

례하여 더 흡인력이 높아 임펠러 및 흡인에 따른 동력에 대한 부하가 걸린 것으로 예

상된다. 추후 이러한 문제점에 대한 정확한 모델링 분석과, 입자의 영향에 따른 해석

이 필요하다고 판단된다. 배관라인과 펌프관경, 대용량의 반응기 용적 등의 조건 때문

에 실제 현장에서 발생하는 1%이상의 슬러지를 이용한 실험이 이루어지지 않았다. 실

험실에서는 펌프의 폐쇄 등을 고려하여 수 천(mg/ℓ)의 저농도 슬러지만을 이용하여

실험을 실시하였다.

3.1. 1차 슬러지

1차 슬러지를 이용한 가용화 실험의 결과는 Fig. 2와 같다. 실험에 사용한 슬러지의

특성은 SS 1777mg/ℓ, CODMn 134mg/ℓ, 상등액COD 27.5mg/ℓ, SCOD 16.3mg/ℓ이었

다. 30분 가용화 실험 결과, SS는 1044mg/ℓ로 낮아져서, SS의 감소율은 41%나 되었

다. 그러나 1차 슬러지의 경우 자유낙하에 따른 침전물이 대부분이며 무기성 물질인

Silt 및 Clay 등이 대부분을 차지한다. 따라서 COD 및 SCOD의 가용화 증가는 2차

슬러지의 가용화 결과와 비교했을 때 다소 낮게 나타났다.

SCOD 값은 20.5mg/ℓ로 증가하여 1.3배 증가하였다. 30분 침전 후 상등수의 COD를

조사해 보면, 반응 전 28mg/ℓ에서 반응종료 후 85mg/ℓ로 3배나 증가하였다. 이는

본 실험 장치에 의하여 1㎛이하까지 분해가 되지 않은 수 마이크로 크기의 콜로이드

수준의 미세입자들이 많이 발생한 것을 말한다. 즉 30분 동안의 가용화 실험기간에서

는 1㎛이하의 완전한 가용화 보다는 그 전 단계까지의 가용화가 다량 진행하고 있음

을 말한다. 수 시간 이상 본 가용화 장치를 가동할 경우 보다 획기적인 감량화 및 가

- 140 -

용화가 가능할 것으로 예측된다.

0

500

1000

1500

2000

2500

0 5 10 15 20 25 30

Time(min)

SS(mg/L)

0

20

40

60

80

100

Conc(mg/L)

SS(mg/L) COD(상) SCOD

Fig. 2. Conc. change of 1st Sludge after the solubilization

3.2. 2차 슬러지

2차 슬러지를 이용한 가용화 실험의 결과는 Fig. 3과 같다. 실험에 사용한 슬러지

의 특성은 SS 1273mg/ℓ, CODMn 50mg/ℓ, 상등액COD 18mg/ℓ SCOD 11.2mg/ℓ이었

다.

30분 가용화 실험 결과, SS는 613mg/ℓ으로 낮아져서, SS의 감소율은 52%나 되었

다. SCOD 값은 36mg/ℓ로 증가하여 3.2배 증가하였다. 이로부터 본 가용화 장치를 사

용할 경우 SS 감량화와 유기물 가용화는 충분히 달성할 수 있을 것으로 판단된다.

가용화 실험 전후의 슬러지 침전특성을 살펴보면 30분 침전 후 슬러지 부피를 나타

내는 SV30의 값은 90전후로 거의 변화가 없었으나 SVI는 약 2.5배 증가되는 결과를

나타내었다. 장시간 운전을 할 경우 슬러지의 침전성은 나빠지는 것을 알 수 있었다.

슬러지는 세포로 구성되며, 가용화가 정상적으로 발생되었다면, 세포의 파괴로 인한

수질혼탁이 예상될 수 있다. 본 실험에서도 Fig. 4와 같이 비중이 무거운 슬러지 Floc

상태에서 가용화가 진행 될수록 세포의 파괴가 발생되어 수질이 매우 혼탁해짐을 관

찰할 수 있었다.

- 141 -

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 5 10 15 20 25 30

Time(min)

SS(mg/L)

0

10

20

30

40

50

60

Conc(mg/L)

SS(mg/L) COD(상) SCOD

Fig. 3. Conc. change of 2nd sludge after the solubilization

<운전 전> <운전 후>

Fig. 4. photograph of 2nd Sludge solubilized

3.3. 음식물 쓰레기

본 장치를 이용하여 음식물 쓰레기를 이용하여 가용화 실험을 수행하였다. 실험에 사

용한 음식물의 특성은 SS 1883mg/ℓ, CODMn(혼합) 3485mg/ℓ, 상등액COD 710mg/ℓ,

SCOD 115mg/ℓ 이었다. 15분 가용화 실험 결과, SS는 1433mg/L로 낮아져서, SS의

- 142 -

감소율은 24%나 되었다. SCOD는 470mg/L로 증가하여 4.1배 증가하였다. 30분 침전

후 상등액의 COD는 반응 전 710mg/ℓ에서 반응종료 후 915mg/ℓ로 1.3배나 증가하

였다. 이는 본 실험 장치에 의하여 1마이크로 이하까지 분해가 되지 않은 수 마이크로

크기의 콜로이드 수준의 미세입자들이 많이 발생한 것을 말한다. 즉 30분 동안의 가

용화 실험기간에서는 1㎛이하의 완전한 가용화 보다는 1㎛이상의 가용화가 다량 진행

하고 있음을 알 수 있었다. 수 시간 이상 본 가용화 장치를 가동할 경우 보다 획기적

인 감량화 및 가용화가 가능할 것으로 예측된다.

본 실험에 사용한 음식물 쓰레기의 전처리에서 1㎜로의 입자 분쇄가 어려운 해조류와

유분이 다량 포함되었다. 이런 입자들은 균일혼합이 이루어지지 않았고, 비중이 무겁

기 때문에 Storage Tank 하부에 다량으로 쌓이는 현상이 많이 나타났다. 실제 측정

값은 비 혼합시료의 영향으로 측정된 값보다 더 높은 측정값을 나타낼 것이다. 상등액

COD 및 SCOD 역시 본 측정값보다 실제 값이 더 높게 나타남을 고려해야 할 것이다.

또한 일일 마다의 음식물 성분이 다르므로, 균질한 시료를 사용과 유분에 따른 저해인

자의 조건을 충분히 고려해야 할 것으로 판단된다.

0

400

800

1200

1600

2000

0 5 10 15

Time(min)

SS(mg/L)

100

300

500

700

900

Conc(mg/L)

SS(mg/L) COD(상) SCOD

Fig. 5. Change of SS, supernatant COD, SCOD after the solubilization of food wastes

3.4. 슬러지 가용화에 미치는 농도의 영향

2차 슬러지의 가용화 특성을 파악하기 위해 고농도의 슬러지를 이용한 실험을 수행하

였다. 본 연구에 사용된 고농도슬러지는 SS 9333mg/ℓ, CODMn 138mg/ℓ, 상등액COD

35mg/ℓ, SCOD 15mg/ℓ이었다. 1시간 가용화 한 결과, SS 4133mg/ℓ으로 낮아져, SS

의 감소율은 56%로 나타났다. SCOD는 26mg/ℓ로 증가하여 1.7배 증가하였으며, 결과

- 143 -

는 Fig. 6에 나타내었다.

운전초기 5분간 급격한 SS감소와 상등액COD증가의 결과를 나타냈으며, 30분까지는

가용화가 천천히 이루어졌다. 30분 이후 1시간까지는 매우 빠르게 SCOD값이 증가하

는 결과는 나타내었다. 하수처리장에서의 반송슬러지를 본 장치에 의해 가용화하였을

경우 최소한 1시간 이상에서 수 시간 정도 반응이 계속되어야 높은 감량화 및 가용화

를 얻을 수 있다는 점을 본 실험을 통해 알 수 있었다. 30분 침전 후 상등액의 COD

는, 반응 전 35mg/ℓ에서 반응종료 후 150mg/ℓ으로 4.3배가 증가하였다. 이는 본 실

험 장치에 의하여 1마이크로 이하까지 분해가 되지 않은 수 마이크로 크기의 콜로이

드 수준의 미세입자들이 많이 발생한 것을 말한다.

0

2000

4000

6000

8000

10000

0 10 20 30 40 50 60

Time(min)

SS(mg/L)

0

50

100

150

200

250

Conc(mg/L)

SS(mg/L) COD(상) SCOD

Fig. 6. Conc. change of 2nd Sludge(9300mg/L) of hi concentration sludge solubilization

슬러지의 가용화에 미치는 농도의 영향을 알아보기 위한 실험을 수행하였다. 2차 슬

러지의 농도를 각각 1273mg/ℓ(저농도), 5100mg/(중간농도), 9300mg/ℓ(고농도)에서

30분 동안 가용화 실험을 수행한 결과를 Fig. 7에 나타내었다.

- 144 -

20%

40%

60%

80%

100%

1000 3000 5000 7000 9000

SS(mg/L)

변화

율(%

)

SS 상등수COD SCOD

Fig. 7. Effect of sludge concentration on the solubilization

SS감소율은 52%에서 56%로 큰 변화는 나타나지 않았다. COD상등수는 저농도에서

6.5배 증가하였으나 고농도에서는 4.3배로 고농도일수록 감소되는 결과를 나타내었다.

슬러지의 농도가 높을수록 함수율이 낮아져서 반응이 진행됨에 따라 고형물입자가 가

수분해 하는데 어려워지는 것으로 판단된다. SCOD값의 변화는 1.3배에서 1.7배로 농

도가 증가함에 따라 약간 상승하는 것으로 나타났다.

3.5. 슬러지 가용화에 미치는 온도의 영향

온도에 따른 영향을 알아보기 위하여 2차 슬러지(농도 1273mg/ℓ)를 20℃, 35℃, 5

0℃에서 각각 30분 동안 가용화 실험을 수행한 결과를 Fig. 8에 나타내었다.

SS 감소율은 52%(20℃), 68%(35℃), 86%(50℃)로 온도의 상승에 따라 크게 증가하

여 온도의 영향이 대단히 큼을 알 수 있었다. 상등액COD는 저온에서 3.43배 증가하

였고, 중온에서 6.0배로 증가 하였다. 중온의 조건일 경우는 SCOD보다는 상등액COD

의 가용화가 잘 되는 것을 알 수 있다. 고온이 될수록 슬러지의 가용화는 효율적으로

증가되고, 상등액COD보다는 1㎛이하의 SCOD가 고농도일수록 더 많이 가용화되는 결

과를 나타내었다. 고온에서의 증가율은 각각 SS 7.25배, 상등액COD 2.95배, SCOD

5.37배의 증가율을 나타냈다. 2차 슬러지는 대부분이 미생물로 이루어져 있기 때문에

고온에서 2시간 이상으로 장시간 반응시킬 경우 상당량의 가용화가 가능할 것으로 판

단된다.

가용화를 수행하는 동안 pH의 큰 변화는 거의 일어나지 않았다. 음식물 쓰레기의 경

우에는 5.7에서 5.9로 약간 상승하였으나 큰 변화는 없었다.

- 145 -

0%

20%

40%

60%

80%

100%

0 10 20 30 40 50

Temp(℃)

변화

율(%)

SS SCOD 상등액COD

Fig. 8. Effect of temperature on the sludge solubilization

3.6. 시료별 가용화 비교

슬러지 및 음식물쓰레기는 5분후에 눈에 띄게 감소하는 것으로 나타났으며, 시간이

경과할수록 지속적으로 감소되는 것을 알 수 있다. 각 평균 SS감소율은 2차 슬러지

55.5%, 1차 슬러지 41.0%, 2차 고농도와 고온2차 슬러지는 평균 62.52%, 86.2%가

감소되었으며, 음식물은 23.9%가 감소된 것으로 나타났다. 5분후에 가장 많은 감소율

을 보인 것은 2차 고온슬러지였으며, 슬러지 온도가 높아짐에 따라 슬러지를 가용화

할 때 더 많은 SS 감소효율을 나타낼 것으로 판단된다.

상등액COD와 SCOD의 농도변화는 Fig. 9와 같으며, 상등액COD는 최소 130%에서

최대 650%의 증가율을 나타냈다. SCOD의 농도 역시 증가를 보였으며, 최소 30%에

서 최대 410%의 증가율을 나타냈다. 무기물 함량이 많은 1차 슬러지의 경우 슬러지

의 가용화 효율이 낮게 나타났다.

세포의 파괴 및 찢김이 두드러진 2차 슬러지 및 고온슬러지에서 COD의 가용화가 많

이 일어난 것으로 나타났다. 음식물의 경우 본래의 상등액COD성분보다는 미립자화

된 SCOD의 증가가 두드러짐을 알 수 있었다.

- 146 -

56%

300%

430%410%

52% 41%86%

24%

130%

540%

650%

295%

30%

170%

320%

0%

200%

400%

600%

2차슬러지 1차슬러지 2차고농도 2차고온 음식물

비율

(%)

SS 상등액COD SCOD

Fig. 9. Change of percentage of sludge and food waste after the solubilization

Fig. 10은 각 성분에 따른 상등액COD의 변화농도를 나타내었으며, 고농도2차 슬러지

의 경우 30분 가용화하였을 경우 최대 150mg/ℓ 이상의 가용화가 진행되었음을 알 수

있다.

0

200

400

600

800

1000

0 10 20 30 40 50 60

Time(min)

상등

액COD(mg/L)

0

20

40

60

80

100

상등

액COD(mg/L)

1차 고농도 음식물 2차 고온

Fig. 10. Change of supernatant SCOD after the solubilization

일반적으로 슬러지를 가용화 했을 경우에 15분 정도 운전하는 것이 SCOD 증가에 가

장 효율적인 것으로 판단된다. 장시간 운전 했을 경우, SCOD는 더 많은 증가율을 보

일 것으로 예상된다. 15분 운전 후 SCOD 농도에서 2차 슬러지는 최대 35mg/ℓ이었

다. 1차 슬러지는 19.6mg/ℓ, 2차 고농도 슬러지는 15.8mg/ℓ이었고, 2차 고온은

- 147 -

63.5mg/ℓ, 음식물쓰레기는 470.0mg/ℓ로 나타났다.

4. 결론

공동화(Cavitation)를 이용한 슬러지 장치를 이용하여 1.2차 슬러지 및 음식물 쓰레기

를 가용화한 결과 상등액COD는 최소 130%에서 최대 650%의 증가율을 나타냈다.

SCOD의 농도 역시 증가를 보였으며, 최소 30%에서 최대 410%의 증가율을 나타냈

다. 무기물 함량이 많은 1차 슬러지의 경우 슬러지의 가용화 효율이 낮게 나타났으며,

세포의 파괴 및 찢김이 두드러진 2차 슬러지 및 고온슬러지에서 COD의 가용화가 많

이 일어난 것으로 나타났으며, 음식물의 경우 SCOD의 증가가 4.1배로 두드러짐을 알

수 있었다.

감사의 글

본 연구는 중소기업청 '06산학연공동기술개발사업 “슬러지 감량화 및 고부가 바이오

가스 생성을 위한 하이브리드 형전처리 장치개발 ”의 연구비로 수행되었으며, 이에 감

사드립니다.

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- 149 -

2. 연구 성과물

PGA와 슬러지 가용화를 이용한 하수고도처리에 관한 연구

A Study of Sludge Solubilization using the Cavitation

강성욱8) ･김동하･최지은

Kang, sungouk • Ki m, dongha • Choi , j i eun

국민대학교 건설시스템공학부

1. 서 론

2006년 환경통계연감에 따르면 현재 우리나라 하수처리장은 2005년 말 294개소의

하수처리장이 가동 중이며, 전년도 대비 26개소, 용량은 858천톤/일로 매년 증가추세

를 나타내고 있다. 이는 전년도에 비해 26개소가 증가하였고, 매년 증가되는 추세이

다. 2008년 1월 1일부터 시행되는 4대강과 기타 지역 하수종말처리장은 대장균군 항

목이 포함된 엄격해진 방류수 수질기준을 충족시켜야 하며 시행될 강화 수질기준은

매우 엄격해졌다.

8) 국민대학교 건설시스템공학부 E-mail: med1024@kookmin.ac.kr

- 150 -

최근 몇 년 동안 많은 연구가 진행되어 기존 공법으로 유기물과 영양염류의 제거가

불충분한 부분을 동시에 해결할 수 있는 고도처리시설의 개발로 현재에는 도입 시점

에 이르렀다. 대부분의 처리장에서 유입수질 저농도 등으로 고도처리 효율이 떨어질

것으로 예상된다. 그에 따라 국내 실정을 감안한 보다 높은 처리효율과 에너지 절감,

그리고 기존 처리장을 활용한 효율적 시설보완 사업이 시행될 수 있도록 운전개선 혹

은 시설개선 차원의 고도처리설비가 현실적으로 시급하다 하겠다.

하수처리에서 발생되는 하수슬러지는 현재 소각 또는 해양투기에 많은 의존을 하고

있으나, 개정의정서에 따른 해양방지법이 적용되는 시점부터 하수슬러지의 해양폐기가

금지되고, 이에 따른 하수슬러지의 육상처리 대책이 시급한 실정이다. 따라서 고도처

리와 하수슬러지 처리에 관한 하수병합고도처리의 연구 및 공정개발이 필수적이라 하

겠다.

본 연구는 하수슬러지 가용화, PGA(Poly-γ-glutamic acid), 간헐포기(Intermittently

aeration bioreactor)를 조합한 하수고도처리에 관한 연구이다. 1, 2차 및 음식물 쓰

레기를 대상으로 Cavitation을 이용하여 슬러지를 가용화하였다. 가용화된 슬러지의

SCOD를 외부탄소원으로 간헐포기의 탈질반응에 적용하고, 반응조 후단에는 PGA주입

을 통해 침전 성능을 향상시켰다.

2. 연구 방법

2.1. 실험장치

본 장치는 Lab-scale로 설계되었으며, Fig. 1과 같다. 원수탱크는 총 부피가 40L로

대상시료에 대하여 펌프(GQ 400)를 이용하여 일정량(Q)을 본 장치로 공급하고 단계

별 반응조에서는 자연유하 되도록 유도하였다.

- 151 -

Effluent

Waste Sludge

Carbon Source

PP

SPSP

Return

VPVP

Carbon Source

PP

SPSP

Return

VPVP

DO, ORP, pH, Temp

InfluentInfluent

AT AATT PP

Return

PGA 600KDa

PP

Waste Sludge

IABR

Fig. 1 Flow diagram of advanced wastewater treatment using the PGA and sludge

solubilization

간헐폭기조는 부피 8.0L로 5㎜투명 아크릴재질로 제작되었으며, 독일 theben사의 절

전형 콘덴서타이머(220v/60Hz, 7×7㎝)를 Aerator전원에 부착시켜 폭기/비폭기를 유

도하였다.

반응조 내부의 DO, ORP, pH, 온도를 측정하기위한 장치를 부착하였다. 교반기를 설

치하여 반응조 내의 완전혼합을 유도하였고, 반응조의 설계조건은 Table 1에 나타내

었다.

반응조 내부의 MLSS 농도는 2000～3000mg/L로 유지하였고, SRT 13day를 유지하

기 위해 슬러지를 하루에 한번 침전지에서 인위적으로 적정량 폐기하였다. 폭기 시 반

응조의 DO는 0.5～4.0mg/L로 조절하였으며 비폭기 때에는 0.02이하로 유지되었다.

침전지는 상부에 감속기를 설치하여 0.5rpm으로 회전하도록 하였고, 슬러지의 반송을

원활히 하기 위하여 감속기 축 하부에 스테인리스 재질의 스크레이퍼를 제작 설치하

였다.

Table 1. Operation parameters of wastewater treatment reactor

- 152 -

Item Data

SRT 13 day

BOD loading 0.56 kg BOD/㎥․day

F/M ratio 0.28 Kg BOD/Kg MLSS·day

HRT 5.12 hr

Cavitation을 이용한 전처리장치는 침전지의 반송 및 폐기되는 슬러지를 이용하여 가

용화하기 위한 장치이다. 전처리장치의 원수탱크는 500L의 FRP재질로 제작되었으며,

원수탱크내부의 슬러지를 이송하기 위한 양정 20m의 수중펌프가 장착되어있다. 수중

펌프에 의해 원수유입관경 50㎜에서 전처리장치 도입부에 관이 32㎜로 축소되면서 1

차 Cavitation을 유도하였다. 전처리장치는 122L이며, 유입된 유체는 제1내통의 하부

에서 상향으로 고속회전을 하면서 외통과 제2내통으로 이동하게 된다. 빠른 유속과

마찰이 발생하도록 제1내통 외벽에 각 2×10㎝의 홈을 2～3개두어 노즐효과를 유도

하였다.

전처리장치 상부 50㎜의 2개의 관을 통하여 원수탱크로 다시 유입되며, 전처리장치

하부 50㎜의 관으로부터 2차 Cavitation발생을 유도하기 위해 양정 10m, Vortex

type의 펌프로부터 흡입된다. 관경 32㎜로 전처리장치에 재 유입되며, Cavitation이

극대화 되도록 하였다. 또한 흡입 후 순환되는 Line에 2.5Hp의 Air Compressor를

두어 공기가 주입되도록 설계하였다. PGA주입장치는 Feed Pump(GQ 400)를 이용하

였으며, 간헐폭기조에서 침전조로 이송되는 Line에 일정량을 연속주입 되도록 위치하

였다.

2.2. 실험방법

Cavitation을 이용한 슬러지 가용화는 회분식 실험을 통하여 SCOD 증가율 및 외부

탄소원으로써 이용여부를 평가하였다. 본 실험에서 2차침전지의 반송슬러지(MLSS

8,000～10,000mg/ℓ)를 이용 하였다. 30분 이상 전처리장치를 통해 가용화 하였으며,

생성된 탄소원을 이용하여 C/N비를 계산하였다. 탈질조건에 투입하여 가용화된 슬러

지를 외부탄소원으로 공급하여 원활한 탈질이 이루어지도록 하였다.

간헐폭기 공정은 효율적인 질소, 인제거를 위한 고도처리 공법으로 2달이상의 운전기

간에 걸쳐 시스템안정화를 실시하였다. 각 간헐폭기 시스템의 정상적인 연속운전을 위

해 공정에 필요한 제어인자 평가 실험을 수행하였고, 탈질을 위한 회분식 실험을 통하

여 폭기/비폭기 주기의 조건을 선정하였다. 간헐폭기 연속운전에서는, 폭기/비폭기의

주기를 60분/60분(IA-1), 90분/90분(IA-2), 120분/60분(IA-3)로 구분하여 운전 하였

다. IA-1은 1～8day, IA-2는 9～30day, IA-3는 31～36day이다. 각 조건은 Table 2

와 같다. 앞의 폭기/비폭기 조건에서 결정된 IA-3에서 가용화된 슬러지의 SCOD를 주

- 153 -

입하여 적절한 탈질이 이루어지도록 한 후 수질을 분석하였다.

PGA주입실험은 회분식 실험을 선행하여 최적주입농도를 선정하였다. PGA연속주입

실험은 간헐포기공법 내에 PGA(6000KDa)를 제조하여 농도를 각각 1.38mg/ℓ와

3.75mg/ℓ를 연속주입 하였다. 주입유량을 5㎖/min으로 하여 공정 내에 유입시켰다.

2.3. 시료 및 분석방법

간헐폭기 공정의 유입원수는 일반 하수와 유사하게 BOD5 100～200mg/ℓ, T-N 20～

30mg/ℓ, T-P 3～8mg/ℓ의 범위로 인공 조제하여 사용하였다. 각각 Glucose, Starch,

NH4HCO3, KH2PO4 등을 투여하여 인공하수를 조제한 후 간헐포기 반응조의 유입원

수로 사용하였다. 실험에 사용된 시료의 성상은 Table 2와 같다. 평균 BOD5

142.9mg/ℓ, CODcr 171.5mg/ℓ, T-N 26.4mg/ℓ, T-P 6.15mg/ℓ, SS 120.7mg/ℓ이였

다.

Table 2. Characteristics of artificial wastewater (Unit : mg/ℓ)

Item Range Average

pH 7.26 ∼ 7.15 7.20

Temp.(℃) 27.1 ∼ 21.2 23.2

BOD5 153.2 ∼ 138.5 142.9

CODCr 183.8 ∼ 166.2 171.5

SS 132.4 ∼ 109.2 120.7

T-N 28.6 ∼ 22.7 26.4

T-P 6.67 ∼ 5.30 6.15

수질에 대한 분석은 시료채취 후 실험실에서 즉시 실험하였다. 경우에 따라 4℃ 냉암

소에 보관한 후 24시간 이내에 실험하였다. 각 항목별 수질분석은 미국의 Standard

Method 21st Edition을 참고자료로 사용하고, 환경오염공정시험법을 토대로 분석하였

다.

3. 결 과

3.1. 가용화 결과

본 실험에 사용되는 외부탄소원인 SCOD는 2차 슬러지를 이용하러 가용화 한 후 본

실험에 사용하였다. 슬러지를 가용화 하는 동안 Vortex Pump의 부하에 따른 소음과

진동의 발생으로 15분만 가용화를 실시하였고, 각 시간별 SS, COD, SCOD를 분석하

였다. 유입 슬러지 원수는 J하수처리장의 반송슬러지 SS 7640mg/ℓ를 폭기조 내의 SS

에 맞게 희석하였으며, 희석원수의 SS는 2880mg/ℓ였다. 희석원수 중 평균 COD 혼합

농도는 135.4mg/ℓ, 상등액COD는16.7mg/ℓ, SCOD는 16.3mg/ℓ이었다. 가용화 장치를

- 154 -

이용하여 슬러지를 가용화한 결과는 Fig. 2와 같다.

-50%

0%

50%

100%

150%

200%

0 5 10 15

Time(min)

비율

(%)

SS 상등액COD SCOD

Fig. 2. Change of conc.s after the sludge solubilization

SS는 2880mg/ℓ에서 15분 가용화를 수행한 후 1850mg/ℓ로 35.8%가 감소된 결과를

나타내었고, 가용화 5분 후에 SS, 상등액COD, SCOD 모두가 가장 많은 감소와 증가

의 효율을 나타냈다. 본 장치를 이용하여 짧은 시간의 가용화만으로 충분한 효과를 나

타낼 수 있을 것으로 판단된다. 상등액COD는 16.6mg/ℓ에서 최종 41.2mg/ℓ로

147.4%의 높은 증가율을 나타내었고, SCOD도 39.5mg/ℓ로 증가율은 192.6%나 되었

다.

3.2. 연속운전 결과

본 공정의 운전은 약 12주간 수행되었으며, 분석일은 총 36일간 수행되었다. 초기 반

응조의 온도 조작의 오류로 인해 수온이 28℃로 유지되었으며, 온도의 증가에 의한

영향이 측정항목에 영향이 있을 것으로 판단된다. Fig. 3은 연속운전의 MLSS와 SVI

변화의 결과를 나타내었다.

pH는 운전기간동안 7.28～7.15 범위로 큰 변화는 없었으며, 수온도 21.2～27.1℃ 미

생물 활성에 적절한 온도가 유지 되었다. MLSS는 2138.4～2482.2mg/ℓ로 유지되었

고, SVI(Sludge Volume Index)는 134.8～168.4mL/ℓ로 운전기간동안 대체적으로 양

호한 침전성능을 나타내었다.

- 155 -

2100

2200

2300

2400

2500

2600

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34

Tme(day)

MLSS(mg/L)

100

150

200

SVI(mL/L)

MLSS (mg/L) SVI

IA-1 IA-2 IA-3

Fig. 3. Change of MLSS and SVI

0

40

80

120

160

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34

Time(day)

Conc(mg/L)

80%

90%

100%

Removal(%)

In Out Removal

IA-1 IA-2 IA-3

Fig. 4. Change of concentration and removal efficiency of BOD

Fig. 4는 운전기간동안의 BOD 결과를 나타냈으며, IA-3에서 BOD 처리효율은 IA-1,

IA-2와 비교하였을 때, 미소하나마 약간 상승되었다. IA-1 93.8%, IA-2 93.1%,

IA-3 94.5%의 평균 제거율을 나타났으며, IA-1의 초기의 경우 수온에 따른 미생물

활성도 영향에 의해 제거율이 다소 높아진 것으로 사료된다. SS는 IA-1, 80.3%,

IA-2 85.5%, IA-3 85.7%의 평균 제거율을 나타났으며, 최대 91.2%의 제거율을 나

타내었고, Fig. 5에 나타내었다.

- 156 -

0

20

40

60

80

100

120

140

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34

Time(day)

Conc(mg/L)

60%

70%

80%

90%

100%

Removal(%)

In Out Removal

IA-1 IA-2 IA-3

Fig. 5. Change of concentration and removal efficiency of SS

고도처리에서 C/N비는 질소 및 인 제거 효율에 중요한 Factor로 작용을 한다. 일반

적인 하수처리를 위한 C/N비는 6.5～7.5의 범위이며, 본 실험에서의 C/N비는 6.84였

다. 또한 각 반응단계별로 질소 화합물의 농도를 측정하여 원활한 질산화 및 탈질화가

이루어지는지 알아보았으며, 그 결과를 Fig. 6에 나타내었다.

0

5

10

15

20

25

Influent Oxic Anoxic Effluent

Operation Step

N Conc(mg/L)

6.5

6.7

6.9

7.1

7.3

7.5

pH

T-N NH3-N NO3-N pH

Fig. 6. Change of nitrogen concentrations at each stage

탈질 반응에 이용되는 NO3-N는 폭기가 끝난 시점에서 분석 하였으며, 질산화가 진행

되면서 호기조건의 T-N은 8.06mg/ℓ, NH3-N 0.24mg/ℓ로 급격히 감소하고 질산화에

의한 NO3-N의 농도 6.91mg/ℓ로 증가하였다. 무산소 조건에서는 T-N과 NO3-N가

4.11mg/ℓ, 2.85mg/ℓ로 감소하였고, NH3-N의 농도 2.85mg/ℓ로 약간 증가되었다. 탈

질단계의 암모니아 농도가 증가하는 것은 인 방출반응에서 방출되는 암모니아성 질소

- 157 -

로 인해 증가하는 것으로 인 흡수에서 다시 NO3-N으로 산화된다. pH의 경우에는 초

기에 7.1이었으나 질산화 반응종료 후에는 7.01로 pH가 감소되다가 탈질이 끝난 시

점에는 7.32로 증가 한 것을 알 수 있다. 탈질과정에서 알칼리도가 증가하는 이론을

증명할 수 있다. Fig. 7에 나타난바와 같이 연속운전결과, IA-1에서의 평균 질소의 처

리율은 63.5%였고, IA-2에서는 72.6%이었다. 외부탄소원(슬러지가용화액, SCOD

39.2mg/L)을 주입한 시점인 IA-3에서는 T-N이 22.28mg/ℓ에서 3.24mg/ℓ로 감소되

었고, 질소 제거율은 85.5%에 달했다.

0

5

10

15

20

25

30

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34

Time(day)

Conc(mg/L)

50%

60%

70%

80%

90%

Removal(%)

In Out Removal

IA-1 IA-2 IA-3

Fig. 7. Change of concentration and removal efficiency of T-N

Fig. 8은 연속운전에 따른 인 제거에 대한 변화를 보여주고 있다. IA-1에서의 평균

제거율은 51.9%, IA-2에서는 61.5%였다. 외부탄소원을 주입한 시점인 IA-3의 조건

에서는 84.9%의 안정적인 제거율을 보였다.

0

1

2

3

4

5

6

7

1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34

Time(day)

Conc(mg/L)

40%

50%

60%

70%

80%

90%

Removal(%)

In Out Removal

IA-1 IA-2 IA-3

Fig. 8. Change of concentration and removal efficiency of T-P

3.3. 최종운전 결과

- 158 -

본 연구는 슬러지가용화, PGA주입, 간헐포기 공정을 조합한 고도처리로서, 조합을 통

해 각 조건별 평균 수질특성을 분석하였다. Fig. 9, 10과 같이 간헐폭기 생물공정인

IABR에서 BOD, SS의 평균제거율은 93.1%, 85.1%이고, 슬러지가용화+IABR과 비교

했을 때 큰 차이는 나타나지 않았다. SS의 경우 간헐폭기 공정에 PGA를 주입하였을

경우 PGA에 의해 95%이상의 SS제거율을 나타냈다. 간헐폭기+PGA+슬러지가용화에

서는 SS와 BOD의 제거율은 점차적으로 증가되는 것을 알 수 있다.

간헐폭기(IABR)에서 T-N, T-P의 처리효율은 69.7%, 61.7%의 제거율을 나타냈다.

슬러지가용화+간헐폭기와 비교하였을 때, 슬러지가용화를 통한 외부탄소원 주입으로

탈질에 따른 질소의 제거로 88.4%의 제거율을 나타냈다. 간헐폭기+PGA에서는 T-N

과 T-P의 제거율이 각각 78.5%, 68.1%로 IABR보다는 약간 상승했으나, PGA주입에

따른 높은 제거율은 나타나지 않았다.

간헐폭기를 단독으로 운영할 때 보다, 간헐폭기+슬러지가용화+PGA조합을 하였다.

80%

85%

90%

95%

100%

IABR IABR+S IABR+PGA IABR+PGA+S

제거

효율(%)

BOD SS

- *IABR : Intermettently Aeration Bioreactor ** : Sloublization

Fig. 9. Removal efficiency of SS and under the several treatment combinations

- 159 -

60%

70%

80%

90%

100%

IABR IABR+S IABR+PGA IABR+PGA+S

제거

효율(%)

T-N T-P

- * : Intermettently Aeration Bioreactor ** : Sloublization

Fig. 10. Removal efficiency of T-N, T-P under the several treatment combinations

BOD, SS제거율은 4.2%p, 13.1%p가 상승했다. T-N과 T-P제거율 역시 IABR단독보

다 18.7%p, 23.7%p가 상승하였다.

간헐폭기+슬러지가용화+PGA조합을 이용하여 고도처리 할 경우 2008년부터 강화되

는 방류수 수질기준을 충분히 만족할 수 있을 것으로 예측된다.

4. 결론

Cavitation에 의한 슬러지의 가용화는 평균 30%정도의 COD와 SCOD를 생성시키고,

이러한 SCOD는 외부탄소원으로써 탈질 반응에 이용할 수 있다. 그 결과 간헐폭기 공

정 단독으로 운영할 때 보다, 탈질에 의한 T-N처리효율이 20%P 향상되었다. 간헐폭

기+슬러지가용화+PGA조합을 하였을 때, 처리수질 면에서 상당한 효과가 있음을 알

수 있었다. 80%이상의 T-N과 T-P의 안정적인 처리 효율과 PGA에 의한 침강성 향

상, 95%이상의 SS, 탁도 제거 효율을 나타내었다. 따라서 본 병합처리를 이용하여 고

도처리 할 경우 매우 유용할 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 중소기업청 '06산학연공동기술개발사업 및 환경기술진흥원 “07차세대핵심

과제-유체회전에 의한 유기성 고형물의 가용화 장치개발과 병합처리에 의한 자원화

가능성 연구”의 연구비로 수행되었으며, 이에 감사드립니다.

- 160 -

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- 161 -

회 의 록

회 의 주 제유체회전에 의한 유기성 고형물의 가용화 장치 개발과 병합처리에 의한

자원화 가능성 연구.

일 시 2008. 2. 25. 월 장 소국민대 공대

225호회의주관자 김동하 교수

참 석 자강선홍, 장윤영, 김두일, 이수영,

김상길, 고대훈 등참석인원 14명

회 의 목 적 기업 홍보 및 자문

회의안건 및 내용

Question 1. 현재 수행하는 실험이 인하대 배재호 교수팀과 가용화 부분에서 비슷한데 어떤

차이가 있습니까? (강선홍 교수 - 광운대)

Answer : 배재호 교수팀은 가압펌프를 이용한 최적의 벤츄리 형상을 이용한 전처리

시스템을 바탕으로 슬러지 가용화 실험을 수행한 반면 저희 팀은 펌프2대

(가압, 흡입)와 공동화용 반응기로 구성된 공동화 장치를 개발함으로 인해

슬러지를 가용화 하는 것에 차이가 있습니다.

Question 2. 슬러지의 대상은 하수슬러지인지 음식물 슬러지인지 무엇이었습니까?

(김두일 박사 - KIST)

Answer : 양쪽 다 사용을 할 수 있고, 본 실험에서는 하수슬러지를 위주로 사용하였으며,

기초 실험에서 음식물 슬러지를 가지고 실험하였으나 하수슬러지와 비슷한

값들을 얻었습니다.

Question 3. O3만 단독으로 수행했을 때의 연구 결과들이 있는데 Cavitation과

함께 사용했을 때 상승효과라든가 시너지 효과같은게 있습니까?

(김두일 박사)

Answer : 가용화 실험을 하면 1um 이하로 파괴되는 슬러지가 있는 반면에 중간단계의

3. 공개세미나

3.1. 회의록 일련번호

- 162 -

1um 이상의 비교적 큰, 파괴되지 않는 슬러지들이 있는데 그런 슬러지를

O3을 사용하게 되면 1um 이하까지 파괴할 수 있어 가용화 장치를 단독으로

이용했을 때 보다 더 큰 효과를 볼 수 있었습니다.

Question 4. 본 실험에서 가용화의 정의를 어떻게 정의하고 있습니까?

(장윤영 교수 - 광운대)

Answer : SCOD로 측정이 되는 즉, 1um 이하로 파괴된 슬러지들을 가용화 되었다고

정의하고 있습니다.

Question 5. 본 실험에서 슬러지를 가용화 시키는 이유는 무엇입니까? (장윤영 교수)

Answer : 슬러지감량화와 유용한 바이오가스 생성의 중요한 탄소원으로 사용하기 위해서

본 실험을 수행하고 있습니다.

Question 6. 본 실험이 경제성 부분을 봤을 때도 이익이 있습니까? (강선홍 교수)

Answer : 구체적으로 비교해보진 않았지만, 메탄올대신 가용화 슬러지를 넣는 비용

절약(약 100원/톤)과 슬러지 발생량의 80% 감소에 따른 슬러지 처리 비용의

절약(슬러지 소각시 약 6만원/톤) 하수처리장 운전비용의 40%절약(140원/톤)

등의 경제성 효과를 기대할 수 있습니다.

Question 7. 메탄 발생량 비교실험에서 메탄올이나 가용화 슬러지의 질량은 똑같이

맞추었나요? (김두일 박사)

Answer : Carbon 질량을 똑같이 맞추고 실험해봤습니다.

Question 8. 탈질비교에서 메탄올에는 순수 유기성 물질만 존재하지만 가용화 슬러지에는

유기성 물질만 있지 않을 텐데 미생물들의 먹이로 사용할 경우 영향이 있지

않을까요? (강선홍 교수)

Answer : Carbon 외의 다른 슬러지들이 가용화 될 경우 그러한 것들이 시너지 효과를

더 줄 수 있을 것으로 예상합니다. 그러나 가용화 하였을 때 질소나 인 같은

물질들이 나오기도 해 하수에 오염도 예상되어서 그런 부분은 좀 더 연구

수행이 이루어져야 할 것 같습니다.

- 163 -

Question 10. 메탄올과 가용화 슬러지의 탈질 속도 비교 실험에서 pH 변화를 주고

한 실험입니까? (김두일 박사)

Answer : 탈질 속도 실험에서는 동일한 pH 7로 실험했습니다.

Question 11. O3 +가용화 or 가용화 +O3에서 어느 것이 더 효과가 큰가요?

(장윤영 교수)

Answer : 아무래도 O3을 먼저 주입시키면 슬러지들의 형상에 많은 영향을 주어

즉, 파괴시키거나 약하게 만들어 가용화를 더 원활히 이룰 수 있을 것으로

예상합니다.

자문 및 활용내역

◇ CFD 시뮬레이션 관련

자문 : 1. Case 설명에서 간단한 설명이 있으면 이해하기 쉬울 것 같습니다.

(김상길 대표)

2. CFD 시뮬레이션을 통해 좋은 조건을 얻은 결과에 맞춰 장치를 설계,

제작하는 것이 좋을 듯합니다. (장윤영 교수)

◇ Cavitation가용화 장치

장윤영(광운대학교 교수)

1. 국내. 외의 유사 연구 결과를 비교표로 준비해서 본 실험이 얼마나 더 효과를 보았는지

알려주면 보는 사람의 입장에서 이해하기 쉬울 듯합니다.

2. O3은 Soluble 슬러지에서 효과가 더 크게 나타나기 때문에 가용화 시킨 슬러지에다

O3을 주입하는 것이 더 효과적일 것 같습니다.

3. 가용화, 오존처리, PH 영향별로의 세밀한 실험 및 데이터가 더욱 필요하다.

: 가용화장치 + 오존처리 , 오존처리 +가용화장치의 추가적 실험을 통하여 데이터를 보충

하였다. 그래프를 통한 자세한 설명이 함께 이루어졌다.

- 164 -

김두일 (KIST 공학박사)

1. 타 대학 및 유사 연구수행과의 데이터 비교가 필요하다.

: D대학, I대학, J대학의 논문 및 연구발표 자료를 통하여 본 데이터와의 비교, 분석하였다.

그 결과는 최종보고서에 수록하였다.

2. 일본 데이터와의 비교가 필요하다.

: 일본으로의 출장을 통하여 교토대학의 쯔노 교수님께 방문을 하였다.

본 과제에 대한 오존 및 SCOD 증가량에 대한 자문을 구하였으며 일본 연구자료 및 데이터

를 받을 수 있었다. 이에 대한 자료는 최종 발표를 통하여 전달하겠다.

2008 . 2 . 25

연구책임자 김동하 (인)

- 165 -

3.2 사진첨부

- 166 -

3.3 공개세미나 발표자료 (PPT, 초대장)

- 초대장

- PPT 발표자료 : 연구과제의 결과 발표 및 방향성 검토 (발표자: 김동하)

CFD에 의한 Cavitation 시뮬레이션 (발표자: 이수영)

- 167 -

9. 뒷면지

주 의

1. 이 보고서는 환경부에서 시행한 “차세대 핵심환경기술개발

사업”의 연구보고서입니다.

2. 이 보고서 내용을 발표할 때에는 반드시 환경부에서 시행한

“차세대 핵심환경 기술개발사업”의 연구개발결과임을 밝혀야

합니다.

3. 국가과학기술 기밀유지에 필요한 내용은 대외적으로 발표

또는 공개하여서는 아니 됩니다.