A Study on the Improvement of Sludge Dewatering and Dewatering Efficiency by Using Oyster Shell

굴 폐각을 적용한 슬러지 탈수 및 탈수효율 개선에 관한 연구

Abstract

This study evaluated the dewatering efficiency of inorganic dehydrating agents that contain oyster shells. A filter press dehydrator was used for this study. The experiments were performed by the single injection of calcium-based chemicals, the single injection of oyster shells, and the mixed injection of oyster shells and calcium-based chemicals. The moisture content of the dewatered cake generated after dehydration confirmed that the best dewatering efficiency was found at the mixing ratios of CaCO₃ to sludge, oyster shell to sludge, and inorganic dehydrating agent to sludge of 3:1, 10:1, and 1.5:2.5:1, respectively. The moisture contents exhibited less than 58% when the injection mixing ratio of inorganic dehydrating agent to sludge was 1.5:2.5:1. From EPS, SEM, and EDX analysis, it was found that the calcium adsorbed on the sludge surface could reduce extracellular polymeric substances (EPSs) and enhanced the dewaterbility. Based on the above results, it is considered possible to apply inorganic dehydrating agents containing recycled oyster shells in sludge dewatering in order to reduce sludge.

1. Introduction

슬러지 처리는 잉여슬러지를 효율적이고, 처분하기 쉬운 형태로 변환하여 안정화 및 감량화하는 것이 목적이다(MOE, 2011). 슬러지 감량화를 위한 처리기술에는 탈수를 통해 수분을 제거하는 방법이 있으며, 슬러지 탈수는 약품을 주입 후 Belt press, Filter press, Screw press 등의 기계식 탈수 시스템으로 수분을 제거하게 된다. 이들 장치에서 최종 생산된 탈수케익은 함수율이 약 80% 정도로 알려져 있다(Lee, 2004). 대게 함수율이 높은 탈수케익의 경우 효율적으로 처리하기 어려울 뿐만 아니라 자원화 및 처리비용 측면에서 슬러지의 함수율을 낮춰 감량화를 도모하는 것이 최선의 방법으로 알려져 있다(Kim, 2006). 최근에는 탈수기술에 대해 탈수케익의 부피를 감소시켜 처리비용 절감과 탈수효율을 극대화하기 위한 연구가 진행되고 있다(Lee and Liu, 2001; Mikkelsen and Keiding, 2002). 슬러지의 탈수효율을 증대시키기 위한 방법인 탈수보조제 주입은 탈수케익 내 투여된 탈수보조제 부피만큼 수분을 제거하고 탈수기의 압축성 개선 및 여과포막힘현상을 감소시키는 역할을 한다(Yoo et al., 2004). 기존 탈수보조제에 대한 연구는 규조토, 비산재, 제지펄프 등이 있었으나, 경제성과 유효자원의 소비라는 단점이 있다.

국내 양식업 중 비중이 높은 굴 양식업의 경우 부산물로써 굴 폐각이 다량 발생하고 있는 실정이다. 이러한 굴 폐각은 해안에 야적되어 연안어장의 오염, 자연경관의 훼손 및 보건위생상의 문제를 초례하고 있다. 굴 폐각은 남해안 일대에 약 70~80%가 집중되어 발생하고 있으며, 그 중에 약 10% 미만이 종패부착용 및 비료 등으로 가공 처리되고있어 재활용 방안 수립이 시급한 실정이다. 굴 폐각은 다공질체로서 비표면적이 크고 중금속 이온 및 유기물에 대한 흡착효율이 뛰어나며, 이온(Ca2+)으로 인한 양전하의 역할로써 응집을 촉진시키는 장점이 있어 탈수보조제로 활용가치가 큰 것으로 알려져 있다(Lee, 2000).

따라서, 본 연구에서는 하수슬러지를 효율적으로 처리하기 위해 굴 폐각을 이용한 무기 탈수보조제를 적용하여 탈수효율을 증진시키고, 탈수공정 적용성과 탈수부산물의 재활용 방안을 수립하고자 하였다. 이를 위해 기본으로 사용되는 Ca2+이온을 탈수보조제로 사용했을 경우 및 굴 폐각과 Ca2+를 혼합하여 사용했을 경우의 결과를 비교‧검토하였다.

 

2. Materials and Methods

2.1. 분석 방법

2.1.1. 함수율 측정

탈수케익의 함수율 측정은 105℃ 오븐에서 수분이 완전히 제거되도록 48 시간 건조시킨 후 습윤 재료 및 건조 재료의 중량을 측정하여 함수율을 분석하였다(MOE, 2015).

2.1.2. EPS 측정

EPS는 Glucose를 표준물질로 한 Phenol-Sulfuric acid 방법을 사용하여 490 nm에서 흡광도를 측정하였다(Dubois et al., 1956).

2.1.3. 슬러지 표면특성 분석

Ca2+계열 약품 및 굴 폐각 주입에 따른 슬러지 개량 상태를 평가하기 위해 SEM(Scanning Electron Microscope)과 EDX(Energy Dispersive X-ray spectroscopy) 방법을 이용하여 슬러지 표면특성을 평가하였다.

2.1.4. 굴 폐각 성상분석

건조시킨 굴 폐각의 화학적 성상은 고주파 유도결합플라즈마(Inductively Coupled Plasma, ICP)를 이용하여 분석하였다.

2.2. 실험 재료

본 실험에 사용된 굴 폐각은 국내 서해안 지역의 A양식장에서 가공 후 버려진 폐기물을 수거하여 사용하였다. 굴 폐각은 수거한 후 증류수로 세척하여 1차 건조과정을 거쳤으며, 활용도를 높이기 위해 20 μm 이하로 분쇄하였다. 또한 불순물 및 유기물을 제거하기 위해 550℃ 소성로에 약 2시간 정도 가열하여 실험에 사용하였다. 이 때 생성된 굴 폐각의 비중은 2.4를 나타냈다.

잉여슬러지는 경기도 B개인하수처리시설에서 채취하였으며, A2/O 공정에서 SRT 30일 조건으로 폐기된 잉여슬러지(함수율 90%, 비중 1.02)를 사용하였다.

2.3. 실험실 규모 필터프레스 탈수기 구성

실험실 규모의 필터프레스 탈수기(Dong-il, DF200B-3CH)는 Table 1과 같이 L1,100 mm × W400 mm × H500 mm의 규격으로 이루어져 있으며, 구성은 여과부피 10 L, 여과실 7개, 콤프레샤 압력 2 HP이다.

Table 1.Specification of lab. scale filter press dryer

필터프레스 탈수기 운전은 여과포가 씌어진 2개의 여과판을 이용하여 결합, 슬러지 압입, 압착, 탈착에 의한 순으로 탈수가 이루어지게 되며, 슬러지가 여과포 사이로 압력에 의해 압입 및 압착되어 탈수여액은 배출되고 고밀도로 압축된 탈수케익을 얻는 방법이다(Lee, 2014).

Fig. 1.Lab. scale filter press dryer.

2.4. Ca2+계열 약품을 이용한 슬러지 탈수효율 평가

Ca2+계열의 약품으로는 Ca(OH)2, CaO, CaCl2, CaCO3 4 종류를 사용하였다(SAMCHUN Chemical). Choi et al. (2014)는 Ca2+이 미생물의 체외고분자 물질인 EPS (Extracellular polymeric substances)에 흡착하여 미생물의 생물흡착 능력을 방해한다고 주장하였으며(Fig. 3), 이를 통해 Ca2+에 의한 슬러지 EPS 감소는 탈수 시 여과포 내 잔류하는 잔류물을 발생을 최소화하고, 탈수효율을 높이는데 중요한 역할을 한다. 미생물은 세포벽을 중심으로 anionic charge를 띄고 있으며, 양이온 물질이 주입되면서 전기적 인력에 의해 세포벽 주변으로 양이온 물질이 흡착되는 원리이다.

Fig. 2.Filter press process.

Fig. 3.Microorganism surface condition under Ca2+ feed Choi et al. (2014).

Ca2+계열의 약품 주입비율에 따라 실험조건을 구분하였으며, Table 2에 약품 주입비율에 따른 실험조건을 나타내었다. 각 모드별 탈수케익의 함수율 및 슬러지 EPS 농도를 측정하였으며, 추후 굴 폐각과 혼합을 위한 최적의 Ca2+계열의 약품을 선정하였다.

Table 2.a) Chemical injection : Ca(OH)2, CaO, CaCl2, CaCO3

2.5. 굴 폐각을 이용한 슬러지 탈수효율 평가

굴 폐각 주입에 따른 슬러지 탈수효율을 평가하기 위해 슬러지 농도와 굴 폐각 혼합비율별 탈수케익의 함수율 및 슬러지의 EPS 농도를 측정하였다. 잉여슬러지의 농도는 모든 조건에서 10,000 mg/L로 동일하게 설정하였으며, 굴 폐각의 주입비율을 모드별로 1:1, 2:1, 3:1, 5:1, 10:1 (Oyster shell : Sludge, wt)로 구분하였다. 굴 폐각을 이용한 슬러지 탈수효율 평가를 위해 Table 3에 자세한 실험조건을 나타내었다.

Table 3.Experiment condition of filter press dryer according to oyster shell feed

2.6. Ca2+계열 약품과 굴 폐각 혼합에 따른 무기 탈수보조제의 슬러지 탈수효율 평가

무기 탈수보조제를 통한 슬러지 탈수효율을 평가하기 위해 Table 4에 실험조건을 나타내었다. 앞선 Ca2+계열의 약품 중 최적의 약품을 선정하여 약품, 굴 폐각, 슬러지의 혼합비율에 따른 탈수케익의 함수율과 슬러지 EPS 농도를 분석하였다. 무기 탈수보조제의 혼합비율은 약품과 슬러지를 각각 1.5:1로 고정하였으며, 굴 폐각의 주입량을 변화하며 탈수효율을 평가하였다.

Table 4.Experiment condition of filter press dryer under inorganic dewatering aid

 

3. Results and Discussion

3.1. Ca2+계열 약품 주입에 따른 탈수효율 평가 결과

Ca2+계열 약품과 잉여슬러지 혼합에 따른 탈수효율 평가한 결과를 Table 5 및 Fig. 4에 나타내었으며, Ca2+계열 약품으로 Ca(OH)2, CaCO3, CaO, CaCl2를 이용하였다. 탈수케익의 함수율을 비교한 결과 약품 주입비율이 높을수록 함수율이 낮은 것으로 나타났다. 또한 약품 중에서는 CaCO3를 주입하여 탈수를 진행한 결과 함수율이 각각 64, 61, 58 및 54%로 분석되었으며, 특히 잉여슬러지와 혼합비율 2:1, 3:1 조건에서 유기성 폐기물에 대한 복토재 사용기준인 함수율 60% 이하를 만족하는 것으로 나타났다(MOE, 2012).

Table 5.a) Chemical : Sludge b) M.C. : Moisture content (%)

Fig. 4.Variation of EPS (a) and Moisture content (b) under Ca2+ chemicals feed.

약품 주입에 따른 미생물 체외고분자 물질을 측정한 결과, 3:1(Chemical : Sludge) 조건에서 초기 잉여슬러지의 EPS 농도는 88 mg/L를 나타냈으며, Ca(OH)2, CaO, CaCl2 및 CaCO3 약품 주입량이 증가할수록 EPS 농도가 22, 19, 24 및 11 mg/L로 감소하는 것을 확인하였다. 탈수케익 함수율 및 슬러지 EPS 저감에서 가장 효율적인 약품으로 확인된 CaCO3의 주입 시 SEM과 EDX 분석을 통해 Ca2+이 주입되면서 슬러지 표면의 Ca 함량이 확연하게 증가하는 것으로 나타났다(Fig. 5). 이는 미생물의 플록구조가 음전하를 띄고 있으며, 무기성 입자 및 양이온에 대한 상호작용으로 생물흡착된 연구결과를 토대로 증명할 수 있다(Beveridge and Murray, 1980; Urbain et al., 1993). CaCO3 주입량에 따른 EPS 감소량과 상호관계를 도출한 결과 각각 주입조건에서 0.56, 0.43, 0.35, 0.26 mg EPS removal/g CaCO3･L로 나타났으며, 주입량이 증가할수록 g당 제거된 EPS 양은 감소하는 경향을 보였다.

Fig. 5.Analysis result of sludge surface under Ca2+ chemicals feed (SEM and EDX).

3.2. 굴 폐각의 탈수효율 평가 결과

본 연구에 사용된 굴 폐각의 조성을 ICP를 이용하여 분석한 결과를 Table 6에 나타내었다. 분석 결과 SiO2, Al3O3, Fe2O3, MnO, CaO, CaCO3, Na2O, K2O, TiO2, P2O5 등 다양한 화합물로 구성되어 있으며, 이 중 CaO와 CaCO3가 각각 15.2, 38.5%로써 Ca 화합물이 전체 53.7%로 분석되어 기타 화합물에 비해 높게 나타난 것으로 확인되었다. Moon (2000)연구에서는 분말 굴 껍질의 금속성분을 ICP를 이용하여 분석한 결과 칼슘성분을 비롯한 마그네슘 및 나트륨이 다량함유되어 있어 알칼리성 금속에 의한 개량제로서 적용성이 가능하다고 보고하고 있다. 또한 굴 폐각은 CaCO3가 약 90% 이상을 차지하고 있으며, 탄산칼슘의 구성 분자식을 이용하여 탄산칼슘의 중량비를 확인한 결과 약 94%를 차지하여 굴 폐각의 주요 구성성분이 탄산칼슘이라고 밝히고 있다(Yoon and Yang, 2004).

Table 6.ICP analysis result of oyster shell

굴 폐각을 이용한 탈수효율을 평가하기 위해 굴 폐각과 잉여슬러지의 혼합비율을 1:1, 2:1, 3:1, 5:1 및 10:1로 하여 탈수를 진행하였으며, 재현성을 확보하기 위해 혼합비율별로 3회 실험하였다. 잉여슬러지 농도는 10,000 mg/L이였으며, 무게비율에 따라 탈수량 10 L를 기준으로 굴 폐각 주입량을 100, 200, 300, 500 및 1,000 g씩 혼합하였다. 굴 폐각 주입에 따른 탈수케익 함수율 및 EPS 분석결과를 Table 7 및 Fig. 6에 나타내었다.

Table 7.a) Oyster shell : Sludge b) M.C. : Moisture content (%)

Fig. 6.Variation of EPS (a) and moisture content (b) under oyster shell feed.

실험 결과, 굴 폐각과 잉여슬러지의 혼합비율을 10:1로 하였을 경우 탈수케익의 함수율이 약 53~60%로 나타났다. 이에 따라 유기성 폐기물에 대한 복토재 사용기준인 함수율 60% 이하(MOE, 2012)를 만족하기 위해서는 굴 폐각 혼합비율을 10:1로 하여 탈수를 진행하는 것이 바람직할 것으로 판단되나, 굴 폐각 단독으로 사용할 경우 경제적 측면에서 혼합비율 10:1은 비효율적임으로 추가 약품혼합을 통한 무기 탈수보조제의 경제성 확보가 필요할 것으로 사료된다. 또한 굴 폐각 주입에 따른 미생물 체외고분자 물질의 농도를 측정한 결과에서 굴 폐각을 1,000 g 주입한 경우 EPS가 평균 24 mg/L로 초기 잉여슬러지의 EPS 농도 90 mg/L보다 약 73% 감소한 것으로 나타났다. EPS 감소는 굴 폐각의 성분 중 Ca2+ 등 양전하를 띄는 물질이 슬러지 표면에 생물흡착 되어 감소한 것으로 판단된다.

또한 굴 폐각과 잉여슬러지의 비중을 토대로 슬러지 발생량을 도출한 결과 굴 폐각과 잉여슬러지의 혼합비율에 따라 각각 3,420 g/L, 5,820 g/L, 8,220 g/L, 13,020 g/L, 25,020 g/L의 슬러지가 발생하는 것으로 나타났다. 굴 폐각 주입량에 따른 EPS 감소량과 상호관계는 각각 주입조건에서 0.03, 0.05, 0.07, 0.06, 0.07 mg EPS removal/g Oyster shell‧L로 나타났으며, 주입량이 증가할수록 g당 제거된 EPS 양은 증가하는 경향을 보여, CaCO3를 적용한 결과와 상이한 결과를 보였다.

3.3. CaCO3와 굴 폐각이 혼합된 무기 탈수보조제의 탈수효율 평가 결과

굴 폐각을 단독으로 주입 시 잉여슬러지와의 혼합비율 10:1은 비효율적인 방법으로 판단되어, 굴 폐각과 CaCO3 약품을 혼합한 무기 탈수보조제의 적용성을 평가하였다. Table 8 및 Fig. 7~8에 나타난 결과에 따라 무기 탈수보조제의 혼합비율 1.5:2.5:1 (CaCO3 : Oyster shell : Sludge)에서 탈수케익의 함수율이 58%로 나타났다. 무기 탈수보조제 주입에 따른 탈수케익 생성 과정을 확인한 결과 굴 폐각의 주입비율 1.5까지 탈수케익 내 수분이 존재하고 있는 것을 육안으로도 확인할 수 있었으며(Fig. 8(a), (b)), 굴 폐각 주입비율이 2 이상 증가할수록 탈수케익이 단단해지고, 완전한 케익 형태로 생성됨을 알 수 있었다(Fig. 8(c), (d), (e)).

Table 8.a) CaCO3 : Oyster shell : Sludge b) M.C. : Moisture content (%)

Fig. 7.Variation of moisture content under inorganic dewatering aid feed.

Fig. 8.Dewatered cake under the condition of inorganic dewatering aid feed (CaCO3 : Oyster shell : Sludge).

또한 실험결과를 통해서 굴 폐각 주입양이 증가할수록 탈수케익의 함수율이 점차 감소하는 경향을 확인할 수 있었다. Lee (2000)의 연구에서 굴 폐각 내 존재하는 칼슘이온을 이용한 정수슬러지의 탈수효율을 평가한 결과 굴 폐각 주입량 증가에 따라 슬러지 개량 및 탈수효율이 증가한다고 보고하고 있다. 불가사리를 이용한 하수 슬러지 탈수보조제 제조에 관한 연구에서 건조된 불가사리의 Ca 성분은 약 260,000 ppm으로 불가사리 분말 주입 시 13~15%의 함수율 감소효과를 도출하였다고 주장하였다(Yoo et al., 2004). 이에 따라 슬러지 개량을 위한 탈수 시 탈수케익의 함수율을 줄이기 위해서는 탈수보조제의 성분 중 Ca가 매우 중요한 역할을 하는것으로 판단되며, 본 연구를 통해 무기 탈수보조제의 최적 혼합비율은 CaCO3 1.5, 굴 폐각 2.5, Sludge 1로 도출되었다.

 

4. Conclusion

본 연구는 굴 폐각을 재활용하여 슬러지 감량화를 위한 슬러지 탈수용 무기 탈수보조제를 제조하고 탈수효율을 평가하였다. 실험실 규모의 필터프레스 탈수기를 이용하여 각 조건별로 탈수케익의 함수율, 슬러지 EPS 및 표면분석을 통해 슬러지 감량화에 대한 슬러지 탈수 특성을 도출하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.