A Study on the Thermal Solubilization Characteristics of Highly Thickened Excess Sludge in Municipal Wastewater Treatment Plant

하수처리장에서 발생하는 고농축 잉여슬러지의 열적가용화 특성에 관한 연구

The current environmental problem is that environmental pollution is accelerating due to the generation of large amounts of waste and indiscriminate consumption of energy. Fossil fuels, a representative energy production fuel, are burned in the process of producing energy, generating a large amount of greenhouse gases and eventually causing climate change. In addition, the amount of waste generated worldwide is continuously increasing, and environmental pollution is occurring in the process of waste treatment. One of the methods for simultaneously solving these problems is the energy recovery from and reduction of organic wastes. Sewage sludge generated in sewage treatment plants has been treated in various ways since ocean disposal was completely prohibited, but the amount generated has been continuously increasing. Since the sewage sludge contains a large amount of organic materials, it is desirable to recover energy from the sewage sludge and reduce the final discharged waste through anaerobic digestion. However, most of the excess sludge is a mass of microorganisms used in sewage treatment, and in order for the excess sludge to be anaerobically digested, the cell walls of the microorganisms must be destroyed first, but it takes a lot of time to destroy the cell walls, so high rates of biogas production and waste reduction cannot be achieved only by anaerobic digestion. Therefore, the pre-treatment process of solubilizing excess sludge is required, and the thermal solubilization process is verified to be the most efficient among various solubilization methods, and high rates of biogas production and waste reduction can be achieved by anaerobic digestion after destroying cell walls the thermal solubilization process. In this study, when pretreating TS 10% thickened excess sludge through a thermal solubilization system, a study was conducted on solubilization characteristics according to retention time and operating temperature variables. The experimental variables for the retention time of the thermal solubilization system were 30 minutes, 60 minutes, 90 minutes, and 120 minutes, respectively, while the operating temperature was fixed at 160℃. The soulbilization rates calculated through TCOD and SCOD derived from the experimental results increased in the order of 12.11%, 20.52%, 28.62%, and 31.40%, respectively. And the variables according to operating temperature were 120℃, 140℃, 160℃, 180℃, and 200℃, respectively, while the operating retention time was fixed at 60 minutes. And the solubilization rates increased in the order of 7.14%, 14.52%, 20.52%, 40.72%, and 57.85%, respectively. In addition, TS, VS, T-N, T-P, NH₄⁺-N, and VFAs were analyzed to evaluate thermal solubilization characteristics of thickened excess sludge. As a result, in order to obtain 30% or more solubilization rate through thermal solubilization of TS 10% thickened excess sludge, 120 minutes of retention time is required when the operating temperature is fixed to 160℃, and 170℃ or more of operating temperature is needed when the operating time is fixed to 60 minutes.

현대의 환경문제는 다량의 폐기물의 발생과 무분별한 에너지의 소비로 인한 환경오염이 가속화 되고 있다는 것이다. 대표적인 에너지 생산 연료인 화석연료는 에너지를 생산하는 과정에서 연소가 이루어져 다량의 온실가스가 발생하고 최종적으로 기후변화를 야기한다. 또한 전 세계적으로 발생하는 폐기물의 양도 지속적으로 증가하고 있으며 처리하는 과정에서 환경오염이 발생하고 있다. 이와 같은 문제들을 동시에 해결하기 위한 방법 중 하나는 유기성 폐기물의 에너지화 및 감량화이다. 하수처리장에서 발생하는 하수슬러지는 해양매립이 전면 금지된 이후로 다양하게 처리되고 있으나, 그 발생량은 지속적으로 증가하는 추세이다. 하수슬러지는 유기물을 다량 함유하고 있어 혐기소화를 통하여 하수슬러지를 에너지화 하고 최종 배출되는 폐기물을 감량화 하는 것이 바람직하다. 하지만, 잉여슬러지의 경우 대부분이 하수처리에 이용되었던 미생물 덩어리로써 잉여슬러지가 혐기성소화 되기 위해서는 먼저 미생물의 세포벽이 파괴되어야 하는데 세포벽 파괴에는 많은 시간이 요구되기 때문에 혐기성 소화 과정만으로는 높은 바이오가스 생산율이나 폐기물 감량율을 달성할 수 없다. 따라서 잉여슬러지를 가용화하는 전처리 공정이 필요하며, 여러 가지 가용화 공법 중에서 열적 가용화 공정이 가장 효율적인 것으로 검증되었고, 혐기성소화 공정의 전처리 과정으로써 열적가용화 공정을 이용하여 잉여슬러지에 포함된 세포벽을 파괴한 후 전처리 된 잉여슬러지를 혐기성소화 함으로써 높은 바이오가스 생산율과 폐기물 감량율을 달성할 수 있다. 본 연구에서는 열적 가용화장치를 통하여 TS 10%의 농축 잉여슬러지를 전처리하는데 있어서 체류시간 및 운전온도 변수에 따른 가용화 특성에 대한 연구를 수행하였다. 열적 가용화장치의 체류시간에 대한 실험변수는 운전온도를 160 ℃로 고정한 상태에서 각각 30분, 60분, 90분, 120분이었다. 실험 결과로 도출된 TCOD와 SCOD를 통해 계산된 가용화율은 각각 12.11%, 20.52%, 28.62%, 31.40% 순으로 증가하였다. 또한, 운전온도에 따른 변수는 반응시간을 60분으로 고정한 상태에서 각각 120℃, 140℃, 160℃, 180℃, 200℃였으며 가용화율은 각각 7.14%, 14.52%, 20.52%, 40.72%, 57.85% 순으로 증가하였다. 이 외에 TS, VS, T-N, T-P, NH₄⁺-N, VFAs를 분석하여 농축 잉여슬러지를 대상으로 하는 열적 가용화 특성에 대한 평가를 수행 했으며, 그 결과 TS 10%의 농축 잉여슬러지에 대한 열적 가용화를 통하여 30% 이상의 가용화율을 얻기 위해서는 운전온도를 160℃로 고정할 경우 120분의 체류시간이 필요하며, 운전시간을 60분으로 고정할 경우 170℃ 이상의 운전온도가 요구되어 진다.