I. 제목
고효율 저동력 탈수장치 및 약품주입 자동제어 시스템 개발
II. 연구개발의 목적 및 필요성
정수장에서는 먹는 물을 생산하는 과정에서 수처리의 부산물인 슬러지 (sludge)가 필연적으로 발생된다. 이때 정수슬러지는 단위공정 (응집, 침전, 여과)에서 발생하는 플록 (floc)의 침전, 여과지 역세척수에서 발생하는 찌꺼기 등으로 구성된다. 슬러지는 일반적으로 농축, 폴리머를 사용한 개량, 탈수 과정을 거쳐 최종 처분된다. 폴리머 개량 시에는 양이온, 음이온, 무기이온계 폴리머 등을 사용하며 이 때 적절한 폴리머를 선택하고, 최적 주입량을 주입하여야 탈수 후 케이크로 배출되는 슬러지는 부피가 작고 수분함량이 적은 저함수율 케이크를 생산하게 된다. 슬러지 탈수효율은 폴리머 종류, 폴리머 주입량과 주입방식, 탈수방식, 탈수기 효율 등 여러 가지 복합적인 요소에 의해 결정되는데, 정수장 슬러지의 특성파악에 의한 적절한 유기고분자 응집제의 선정 및 주입량 결정과 교반강도 설정을 통하여 효과적으로 탈수 및 운전함으로써 슬러지의 개량효과를 극대화 시킬 수 있다. 따라서 강화되는 환경규제에 대처하고 탈수케이크의 재활용을 통한 활용도를 높이기 위해서는 기계적 탈수장치 및 건조방식의 효율향상을 통하여 저함수율 케이크 생산이 요구된다 하겠다. 또한 슬러지 처리의 효율성을 확보하고, 각종 환경규제에 능동적으로 대처하는 것은 시급한 현안 과제가 되고 있다.
III. 연구개발의 내용 및 범위
본 연구의 연구내용은 크게 2개 분야로 나눌 수 있다. 정수슬러지의 탈수성 증진을 위해서는 슬러지의 물리·화학적 특성 파악과 개량 방법, 그리고 기계적 탈수장비 및 탈수 운전 조건의 최적 선정 등이 중요하다. 이에 따라 기존 정수장의 폴리머 주입방식에 대한 문제점을 개선하기 위하여 탈수여액을 통한 폴리머의 적정 주입량을 결정하는 것이다. 폴리머의 연속적인 제어를 위한 신지표로서 SPD (streaming potential detector) 및 점도 (viscosity)를 이용하였으며, 이러한 지표들은 슬러지 성상 및 계절 변화에도 영향 없이 적용이 가능한 안정성 (stability)을 확보하여야 한다. 게다가, 기존 지표인 CST (Capillary Suction Time), SRF (Specific Resistance to Filtrate), TTF (Time to Filter), Jar Test를 이용한 폴리머 주입량과 일치하는 타당성 (reasionability)을 가지면서 기존지표로는 실 정수장에서 폴리머의 연속적인 자동제어가 어렵다는 현실을 극복해야하는 자동화된 실시간 연속제어 (automatic on-line control)가 가능해야 한다. 둘째, 기존 정수장에서 대부분 운전되고 있는 벨트프레스 (belt press) 탈수장치와의 비교·분석을 통한 유동판 탈수장치의 효율성 (efficiency) 및 안정성 (stability)을 평가 하는 것이다. 유동판 탈수기는 현재까지 국내에서는 하수 또는 폐수 슬러지에서만 제한적으로 사용되고 있으며, 정수슬러지 처리에는 아직까지 연구 및 실험 결과의 부족 등으로 적용되고 있지 못하다. 유동판 탈수기의 경우 다른 탈수장치에 비해 비교적 저함수율 케이크를 생산할 수 있으며, 경제적인 저렴성, 콤팩트화된 구조 등으로 정수처리에 적용 가능하다. 또한 본 연구에서는 국내에서 사용되고 있는 유동판 탈수기의 문제점 등을 보완함과 동시에 약품 주입을 최적화하는 자동제어 기술을 동시에 활용함으로써 최적 탈수장치 및 자동제어 시스템 완성에 접근하고자 한다. 본 사업의 최종목표는 저함수율 탈수케이크의 안정적 생산을 위하여 정수슬러지의 성상 변동에 대응하여 고효율 저동력의 탈수장치를 이용과 함께 폴리머 주입량을 자동 제어할 수 있는 신개념의 현장기술을 개발하는 것이다. 폴리머 주입량 자동 제어기술의 개발을 통해 약품비용을 30%내외 절감하고, 슬러지 탈수능력 신장을 도모하여 70% 이하의 함수율을 갖는 건조 케이크를 연중 안정적으로 생산함으로서 현재의 탈수케이크 발생량에 비해 30%내외 정수슬러지를 감량화 시키는 효과를 기대한다.
IV. 연구개발결과
1. 월별 슬러지의 탈수특성 조사
슬러지 고형물량은 년 중 10% 이하의 비교적 고른 분포를 보인 반면에 케이크 고형물 함량은 18%에서 28%의 변동을 나타내어 슬러지 TS에 상관없이 탈수성 변화에 미치는 영향인자가 존재하는 것으로 판단된다. 슬러지 탈수성은 8월 이후에 향상되었다가 11월 이후에 악화됨을 알 수 있다. 이러한 탈수성을 제어하는 인자로는 TS, 입자크기, VS/TS비, ALT비 (Aluminum Turbidity ratio) 등이 있으며 TS가 높을수록, 평균입자크기가 클수록, VS/TS비가 낮을수록, ALT비 (Aluminum Turbidity ratio)가 낮을수록 탈수성이 양호하다는 것을 알 수 있다.
2. 계절별, 수계별 폴리머 적정 주입량 제어지표 탐색
폴리머의 주입량을 적절히 유지하기 위해 여러 가지 방법들이 사용되고 있으나 이중에서 현재 널리 사용되는 방법이 Jar-Test에 의한 것인데 슬러지에 폴리머를 넣고 교반 후에 상등액의 탁도를 측정하거나 육안으로 플럭을 관찰하는 것이다. 하지만 이 방법은 폴리머 주입량을 정확하게 결정할 수 없다는 문제점이 있다. 또 다른 방법으로서 SRF, CST, TTF 등이 있지만 이는 시간이 많이 소요되고 실험상의 오차로 인해 그 정확도와 재현성이 떨어진다. 이를 보완하기 위한 지표로서 연속적인 제어가 가능한 SP(streaming potential)와 점도 (viscosity)를 이용 하였으며, SP의 경우 전하중하 (charge neutralization)가 가장 잘 이루어지는 0에서보다 0.2에서 탈수성이 더 향상되었다 한편, 점도지표의 경우는 batch 점도계의 경우에는 약 1.00cps, 연속식 점도계의 경우에는 1.45cps 부근에서 가장 좋은 탈수성을 나타내었다.
(1) SPD (Streaming Potential Detector)를 이용한 폴리머 적정 주입량 결정
국내에서 슬러지 탈수 시 폴리머 적정 주입량 결정을 위한 제어지표에 관한 연구는 아주 미흡한 상황이다. 일반적으로 정수장에서 슬러지 탈수를 위하여 폴리머를 주입하는 경우 대부분 슬러지와 폴리머 주입량에 대한 정확한 정보가 없기 때문에 육안관찰 또는 정수장의 관행에 의해서 폴리머 주입량을 결정하는 것이 거의 보편적이다. SP를 이용한 폴리머 적정 주입량 결정은 탈수여액의 SP를 통하여 폴리머가 지니고 있는 전하차를 이용하는 기술이다. SP의 이용 가능성을 평가하기 위하여 실험실에서의 제타전위 (zeta potential)를 이용하였으며, SP 측정을 위하여 SPD (streaming potential detector)를 사용하였다. 실제로 SPD를 이용하여 연속적인 폴리머 주입량을 제어할 경우 제타전위 0mV에서 최적 탈수성을 나타내나 SP의 경우에는 이론적인 최적 전하중화점인 0에서보다 약간 높은 0.2에서 최적 탈수성을 나타내었다. 이는 SP와 제타전위차 간에 상관관계가 있음을 나타내고 있다. 실제로 실험실에서 제타전위를 이용한 폴리머 적정 주입량 산정 시 0mV 보다 약간 높은 지점에서 최적 탈수성을 나타내고 있다. 이는 SP를 이용할 경우에도 연속적인 적정 폴리머 주입량을 결정할 수 있다는 것을 의미한다.
(2) 점도를 이용한 폴리머 적정 주입량 결정
1차년도에서 연구된 폴리머 적정 주입량 결정을 위한 제어지표 중의 하나인 점도지표 또한 SP와 마찬가지로 연속적인 폴리머 적정 주입량을 결정하는데 적용 가능하다는 것을 알 수 있다. 실험실 실험의 경우 1.00cps 부근에서 최적 탈수성을 나타내었으며, 연속식 점도계를 이용한 폴리머 적정 주입량 결정에 있어서는 1.45cps가 최적 탈수성을 나타내었다. batch 점도계와 연속식 점도계의 측정 차이점은 batch 점도계의 경우 25℃에서의 절대점도를 나타내나 연속식 점도계의 경우에는 상대점도를 나타내기 때문이다. 점도를 이용한 선행연구 결과 또한 국내에서는 전무한 단계이며 미국 Dentel의 경우 하수슬러지를 이용한 폴리머 적정 주입량 결정에 관한 연구를 수행한 바 있다. 하수슬러지와 정수슬러지의 유동학적 특성은 다르나 실험결과 면에서는 점도지표가 탈수성 향상에 기여한다는 것을 알 수 있다.
(3) 탈수장치를 이용한 슬러지 탈수성 평가
유동판 탈수장치의 구조는 크게 슬러지의 개량이 이루어지는 급속교반조, 완속교반조, 유동판의 탈수부, 농축부로 이루어진다. 교반조에서의 폴리머 희석과 교반효과를 살펴본 이유는 폴리머 주입 자동제어 시스템 구성에 있어서 폴리머 교반장치와 펌프용량을 정하기 위함이다. 실험결과에 따라 정수장에서 사용하는 폴리머는 희석해서 주입하는 것이 좋으며, 특히 TS 농도가 높은 경우 희석이 필요성이 매우 크게 나타났다.
일반적으로 정수장에서 폴리머 교반에 대해서는 간과하기 쉬운 부분이다. 폴리머의 특성상 전하 (charge)에 의한 제거보다는 polymeric characteristics가 슬러지 개량에 큰 영향을 미치는 것으로 받아들여지고 있기 때문이다. 폴리머는 완전교반조건이 반드시 필요하므로 이에 대한 주의를 요하며, 폴리머 주입자동주입 시스템의 완성에서 본 연구결과가 유용하게 사용되었다.
V. 연구개발결과의 활용계획
본 연구개발 결과들은 다음과 같은 부분에 활용될 수 있다.
○ 기존 정수장에서의 제어지표를 이용한 적정 폴리머 주입량 결정
○ 정수공정에서의 약품주입량 결정을 위한 자동제어
○ 소규모 정수장에서 유동판 탈수장치를 이용한 탈수
○ 자동제어 로직을 이용한 응집제 주입량 모니터링
○ 슬러지 재활용을 위한 투입비용 절감으로 지속가능사회 구현에 기여
○ 자동제어를 위한 지표값 검출기기 등 관련 기술개발 수요 창출
○ 신기술 개발보급을 통한 관련기준 및 운영지침의 개선