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SUMMARY
목차
제1장 서론 24
제1절 연구개발과제의 개요 26
1. 연구개발의 중요성(필요성) 26
2. 연구개발의 국·내외 현황 27
가. 해외 시장 및 기술개발 동향 27
나. 국내 시장 및 기술개발 동향 33
3. 연구개발 대상 기술의 차별성 38
가. 차별성 38
제2절 연구개발의 목표 및 추진전략 42
1. 연구개발의 목표 42
가. 연구개발의 최종목표 42
나. 연구개발의 연차별 목표 42
2. 연구개발의 추진전략·체계 및 연구수행방법 43
가. 연구개발의 추진전략 43
나. 연차별 추진체계 45
다. 연차별 연구수행방법 46
제2장 연구개발 수행내용 및 결과 56
제1절 전기분해를 이용한 슬러지 감량장치의 기초 실험 58
1. 실험장치 및 방법 58
가. 실험장치 58
나. 실험방법 59
다. 실험결과 62
제2절 전기분해를 이용한 슬러지 감량장치 개발 84
1. 처리시설의 개요 84
가. 사전 처리시설 공정별 기능 85
나. 사후 처리시설 공정별 기능 (전해 부상농축조) 88
다. 사후 처리시설 공정별 기능 (전해 슬러지 가용화조) 89
제3절 사전 처리시설 슬러지 감량 평가 91
1. 사전 처리시설 실증 운전 수행 내용 91
가. 시설 개요 91
나. 운전 조건 및 방법 92
다. 분석방법 및 횟수 93
라. 생물 반응조의 SVI, ORP 93
2. 운전 결과 분석 94
가. 대조군, 전해군의 유출수 평가 94
나. 슬러지 인발량에 따른 감량율 96
다. 전기분해에 따른 생물 반응조 미생물관찰 결과 98
제4절 사후 처리시설 슬러지 함수율 감소 평가 100
1. 사후 처리시설 실증 운전 수행 내용 100
가. 사후 처리시설 공정 100
나. 사후 처리시설 기초 운전 결과 102
다. 사후 처리시설 전류 인가량 변화에 따른 슬러지 탈수율 결과 104
라. 사후 처리시설 폴리머 주입량 변화에 따른 슬러지 탈수율 결과 107
제5절 연구실규모 전기분해의 이론적 접근방법 110
1. 슬러지 가용화 기술 110
가. 슬러지 발생량 110
나. 슬러지 가용화 필요성 110
2. 슬러지 전처리 기술 111
가. 열처리 111
나. 동결·융해 처리 111
다. 기계적 처리 111
라. 화학적 처리 111
마. 오존 처리 112
바. 효소 처리 112
사. 초음파 처리 112
3. 전기분해 특성 112
가. 전기분해(Electrolysis) 메카니즘 112
나. 전기분해 처리의 장단점 113
다. 전기분해 이론 113
라. 전기분해 반응의 영향인자 114
제6절 연구실 규모의 하수슬러지 전기분해 최적조건 도출 115
1. 하수슬러지 감량 시 과전압 최소화를 위한 전극 선정 115
2. 전해부상 최적조건 도출 117
가. 처리시간에 따른 농축률 및 가용화율 118
나. 전류밀도에 따른 농축률 및 가용화율 118
3. 전기분해 최적조건 도출 119
가. 전극형태별 가용화율 도출 119
제7절 전해 슬러지 감용 장치의 슬러지 탈수효율 및 감량증대 실증화 123
1. 전해 감용 슬러지의 탈수효율 평가 123
가. 탈수효율 평가 123
제8절 전해 감용 슬러지 반류수의 유기탄소원 가치평가 126
1. 전해 감용 슬러지의 탈질효율 평가 126
가. 실험방법 126
나. 분석방법 126
다. 평가결과 126
2. 전해 감용 슬러지의 메탄발효 평가 129
가. 실험방법 129
나. 분석방법 129
다. 메탄발효 평가결과 130
제9절 전기분해로 인한 방류수의 독성평가 135
1. 연구배경 135
2. 연구방법 136
가. 시험수 조건 136
나. 조류 성장저해 시험 136
다. 물벼룩 급성 독성시험 137
라. 자료해석 137
3. 연구 결과 138
가. 조류성장 저해 138
나. 갑각류 급성독성 144
4. 전기분해에 의한 세포 사멸 검증 146
가. Flow cytometry를 이용한 생물의 사멸판정 146
나. 전기분해 처리 후 하수 일반 세균의 성장 149
제10절 전해 슬러지 감량장치 운영 및 개선점 150
1. 운전 및 유지관리 150
가. 기본 운전 관리 150
나. 시설 운전 흐름 150
2. 유지관리 방법 151
가. 운전관리 151
나. 기본 점검 사항 151
다. 안전관리 사항 점검 151
라. 주의사항 152
3. 전해전극의 세척 152
가. 개요 152
나. 전해전극 세척시기 판단 기준 152
다. 전해전극 세척 방법 152
4. 정류기의 운전 및 점검 153
가. 전압 및 전류 조정 153
나. 고장에 대한 조치법 153
제11절 연구결과 종합 155
1. 현장 Pilot Test Plant 실험결과 155
2. 현장 Pilot 연속 실험 결과 155
3. 사후 처리시설 기초 운전 결과 155
4. 연구실 규모 하수슬러지 전해 최적조건 도출 156
5. 전해 슬러지 감량장치의 탈수효율 및 실증화 평가 결과 156
6. 슬러지 반류수의 유기탄소원 가치평가 156
7. 방류수 독성평가 156
8. 종합결과 156
제12절 전해군과 대조군의 경제성 비교(예시) 157
1. 비교 기준 157
가. 사전 감량 157
나. 사후 감량 157
2. 경제성 분석 158
가. 예상 공사비 158
나. 유지관리비 158
3. 기대효과 160
가. 사전 감량 160
나. 사후 감량 161
제3장 목표 달성도 및 관련분야 기여도 163
제1절 연도별 연구개발목표의 달성도 165
1. 총괄 165
2. 미달성 목표에 대한 향후 계획 165
제2절 관련분야의 기술발전 기여도(환경적 성과 포함) 166
1. 기술적 측면 166
2. 경제적 측면 166
3. 환경적 측면 166
제4장 연구개발결과의 활용계획 등 168
제1절 연구성과 활용계획 170
1. 경제사회적 성과달성 계획 170
가. 사업화 추진계획 170
나. 고용창출 계획 171
다. 비용절감 계획 171
라. 기술이전 계획 171
마. 매출추진 계획 171
2. 과학기술적 성과달성 계획 172
가. 지식재산권 획득 계획 172
나. 국내외 신기술 신제품 등 관련 인증 계획 172
다. 국내외 전문학술지 게재 계획 172
라. 국내외 학술회의(세미나) 발표 계획 173
3. 국제협력 계획 173
가. 기술무역 계획 173
나. 인력교류 173
다. 국제협력 기반 계획 173
라. 국제학술회의 개최 계획 173
제2절 NTIS에 등록한 연구시설·장비현황 174
1. 등록장비 현황 174
가. 전해 슬러지 가용화조 174
제5장 참고문헌 176
〈그림 1.1.1〉 고열호기성 세균을 이용한 감량화 기술 29
〈그림 1.1.2〉 오존산화를 이용한 슬러지 감량화 시설 30
〈그림 1.1.3〉 DNR 처리 공정도 35
〈그림 1.1.4〉 STAR 공법의 기본 공정 처리 36
〈그림 1.1.5〉 HDF 공법의 공정도 37
〈그림 1.2.1〉 전기분해 모식도 46
〈그림 1.2.2〉 전기분해시 세포막 손상 모식도 및 미생물의 구조적 변화 47
〈그림 1.2.3〉 전해에 의한 미생물 변화 관찰 47
〈그림 1.2.4〉 다양한 형태의 전극 (예시) 48
〈그림 1.2.5〉 전극간격에 따른 전압 변화 48
〈그림 1.2.6〉 전기분해 장치 (예시) 49
〈그림 1.2.7〉 전기분해에 의한 에너지 저감형 슬러지 감용화 장치 공정 모식도 51
〈그림 1.2.8〉 실제 Pilot Plant 공정도 52
〈그림 2.2.1〉 전류 인가시간에 따른 슬러지 전해 부상농축 62
〈그림 2.1.2〉 전류 농도에 따른 슬러지 전해 부상농축 63
〈그림 2.1.3〉 전극간격에 따른 슬러지 전해 부상농축 64
〈그림 2.1.4〉 전류 인가시간에 따른 슬러지 가용화율 65
〈그림 2.1.5〉 전류농도에 따른 슬러지 가용화율 66
〈그림 2.2.1〉 P시 하수처리장 전경 84
〈그림 2.2.2〉 P시 하수처리장 사전 처리시설 및 사후 처리시설 84
〈그림 2.2.3〉 사전 처리시설의 단위 장치 87
〈그림 2.2.4〉 사후 처리시설의 전해 부상농축조 단위 장치 88
〈그림 2.2.5〉 사후 처리시설의 전해 슬러지 가용화조 단위 장치 90
〈그림 2.3.1〉 사전처리 시설 실증 운행 공정도 91
〈그림 2.3.2〉 유입수, 유출수의 변화 추이 95
〈그림 2.3.3〉 전기분해에 따른 SCOD 및 가용화율 95
〈그림 2.3.4〉 슬러지 계량 조 96
〈그림 2.3.5〉 전해군(좌), 대조군(우) SV 비교 97
〈그림 2.3.6〉 누적인발에 따른 슬러지 감량 98
〈그림 2.3.7〉 운전 1일차 전해군 99
〈그림 2.3.8〉 운전 1일차 대조군 99
〈그림 2.3.9〉 운전 70일차 전해군 99
〈그림 2.3.10〉 운전70일차 대조군 99
〈그림 2.4.1〉 실증 설비 개별 운전에 따른 결과 비교 102
〈그림 2.4.2〉 인가 전류에 따른 반류수 MLSS 농도 103
〈그림 2.4.3〉 폴리머 주입량 40% 104
〈그림 2.4.4〉 폴리머 주입량 60% 104
〈그림 2.4.5〉 폴리머 주입량 80% 104
〈그림 2.4.6〉 폴리머 주입량 100% 104
〈그림 2.4.7〉 폴리머 주입량 40% 105
〈그림 2.4.8〉 폴리머 주입량 60% 105
〈그림 2.4.9〉 폴리머 주입량 80% 105
〈그림 2.4.10〉 폴리머 주입량 100% 105
〈그림 2.4.11〉 폴리머 주입량 40% 106
〈그림 2.4.12〉 폴리머 주입량 60% 106
〈그림 2.4.13〉 폴리머 주입량 80% 106
〈그림 2.4.14〉 폴리머 주입량 100% 106
〈그림 2.4.15〉 부상농축조 300 A 107
〈그림 2.4.16〉 부상농축조 400 A 107
〈그림 2.4.17〉 부상농축조 500 A 107
〈그림 2.4.18〉 부상농축조 600 A 107
〈그림 2.4.19〉 부상농축조 300 A 108
〈그림 2.4.20〉 부상농축조 400 A 108
〈그림 2.4.21〉 부상농축조 500 A 108
〈그림 2.4.22〉 부상농축조 600 A 108
〈그림 2.4.23〉 부상농축조 300 A 109
〈그림 2.4.24〉 부상농축조 400 A 109
〈그림 2.4.25〉 부상농축조 500 A 109
〈그림 2.4.26〉 부상농축조 600 A 109
〈그림 2.6.1〉 DSA 제조방식 115
〈그림 2.6.2〉 전극 형태별 형상 116
〈그림 2.6.3〉 전극형태별(Mesh, plate) 가용화율(좌) 및 동일 전압 시 인가전류(우) 116
〈그림 2.6.4〉 전해부상조 실험 전, 10분 경과 후 117
〈그림 2.6.5〉 처리시간별 전해부상 슬러지 농축율 118
〈그림 2.6.6〉 전해부상 처리시간별 SCOD 및 가용화율 118
〈그림 2.6.7〉 전류밀도별 전해부상 슬러지 농축율 118
〈그림 2.6.8〉 전해부상 전류밀도별 SCOD 및 가용화율 118
〈그림 2.6.9〉 전극 배열과 전극 간격 119
〈그림 2.6.10〉 전기분해 처리시간별 가용화율 (1 × 1 array) 120
〈그림 2.6.11〉 전기분해 처리시간별 가용화율 (1 × 4 array) 120
〈그림 2.6.12〉 전극간격별 가용화율 (1 × 1, 1 × 4 array 비교) 120
〈그림 2.6.13〉 1 × 1 배열 전극 전류밀도에 따른 가용화율 121
〈그림 2.6.14〉 1 × 4 배열 전극 전류밀도에 따른 가용화율 121
〈그림 2.6.15〉 1 × 1 배열 전극 전류밀도에 따른 인가전압 122
〈그림 2.6.16〉 1 × 4 배열 전극 전류밀도에 따른 인가전압 122
〈그림 2.7.1〉 전해 슬러지 감용 장치의 실증화 설비 123
〈그림 2.7.2〉 가용화조 인가전류에 따른 슬러지 탈수 함수율 변화 124
〈그림 2.7.3〉 폴리머 투입량별 슬러지 탈수 탈수율 비교 124
〈그림 2.7.4〉 가용화조 인가전류에 따른 슬러지 탈수 함수율 변화 125
〈그림 2.8.1〉 전해처리 슬러지를 외부 탄소원으로 이용한 NO3--N 제거율(이미지참조) 127
〈그림 2.8.2〉 BMP test 시료 129
〈그림 2.8.3〉 전기분해 처리시간별 누적 메탄생산량 변화 (1 × 1 array, 4 ㎜ 기준) 130
〈그림 2.8.4〉 전기분해 처리시간별 누적 메탄생산량 변화 (1 × 1 array, 5 ㎜ 기준) 130
〈그림 2.8.5〉 전기분해 처리시간별 누적 메탄생산량 변화 (1 × 1 array, 6 ㎜ 기준) 130
〈그림 2.8.6〉 전류밀도별 누적 메탄생산량 변화 (1 × 1 array, 4 ㎜ 기준) 131
〈그림 2.8.7〉 전류밀도별 누적 메탄생산량 변화 (1 × 1 array, 5 ㎜ 기준) 131
〈그림 2.8.8〉 전류밀도별 누적 메탄생산량 변화 (1 × 1 array, 6 ㎜ 기준) 131
〈그림 2.8.9〉 전기분해 처리시간별 누적 메탄생산량 변화 (1 × 4 array, 4 ㎜ 기준) 132
〈그림 2.8.10〉 전기분해 처리시간별 누적 메탄생산량 변화 (1 × 4 array, 5 ㎜ 기준) 132
〈그림 2.8.11〉 전기분해 처리시간별 누적 메탄생산량 변화 (1 × 4 array, 6 ㎜ 기준) 132
〈그림 2.8.12〉 전기분해 전류밀도별 누적 메탄생산량 변화 (1 × 4 array, 4 ㎜ 기준) 133
〈그림 2.8.13〉 전기분해 전류밀도별 누적 메탄생산량 변화 (1 × 4 array, 5 ㎜ 기준) 133
〈그림 2.8.14〉 전기분해 전류밀도별 누적 메탄생산량 변화 (1 × 4 array, 6 ㎜ 기준) 133
〈그림 2.8.15〉 전기분해 전극배열별 단백질 생산량 134
〈그림 2.9.1〉 접종 후 시간(24h, 48h, 72h, 96h)에 대한 공정단계별 방류수의 처리(0%, 6.25%, 12.5%, 25%, 50%) 별 조류의 성장 비교 139
〈그림 2.9.2〉 접종 후 시간(24h, 48h, 72h, 96h)에 대한 방류수의 처리구 (6.25%, 12.5%, 25%, 50%)별 공정단계별 조류의 성장 비교 141
〈그림 2.9.3〉 시간(0h, 24h)에 대한 처리수(6.25%, 12.5%, 25%, 50%)별 물벼룩의 정상 유영수(개체) 비교. 144
〈그림 2.9.4〉 시간(0h, 24h)에 대한 처리수별 공정단계에 의한 물벼룩의 정상 유영수(개체) 비교. 145
〈그림 2.9.5〉 SYTOX Green(Emission Wavelength 504/523 ㎚) 염색에 의한 세포의 생사판별 원리 모식도 146
〈그림 2.9.6〉 Flow cytometer의 electronical system과 channel number로의 전환과정 147
〈그림 2.9.7〉 각기 다른 전압(5 V, 10 V)에서 다양한 세포의 접종농도와 배지의 조성에 따른 시간별 TRO as Chlorine의 발생량 비교 148
〈그림 2.9.8〉 10 V의 전기분해 처리 후 시간(0~3h)에 따른 조류세포의 사멸과 염색에 의한 빛의 강도(FL1 Log)와 빈도 분포 148
〈그림 2.9.9〉 슬러지 전기분해 처리 후 고체 배지상 각 표본수에서의 미생물 군집의 변화 149
〈그림 2.9.10〉 전기분해 처리 후 OD에 의한 각 표본수에서의 총 미생물량 변화 149
I. 연구과제명
○ 주관과제명 : 전기분해에 의한 에너지 저감형 슬러지 감용 장치 및 공정 개발
○ (위탁1)과제명 : 슬러지 감용을 위한 에너지 저감형 전해조 개발
○ (위탁2)과제명 : 전기분해 슬러지 감용화에 대한 생물학적 효용규명과 위해성 평가
II. 연구개발의 목적 및 필요성
본 연구는 에너지 저감형 전기분해 기술을 이용한 슬러지 감량 기술개발로서 생물학적 처리장에서의 슬러지 발생, 에너지 소비 및 CO₂ 발생의 문제점 해결을 위한 장치개발을 목적으로 하여 생물학적 처리과정에서 발생하는 슬러지를 생성 전에 감량하는 사전 감량과 슬러지 케잌 탈수 전에 감량하는 사후 감량장치로 이루어져 있으며 이를 통하여 런던협약에 따른 유기성슬러지 문제를 해결 해 보고자 한다.
III. 연구개발의 내용 및 범위
본 과제의 수행을 위하여 P시에 위치한 16,000 ton/day 규모의 하수처리장 내에 사전, 사후 처리시설을 설치하였으며, 수개월에 걸쳐 시운전을 진행하였다. 사후 처리시설의 경우 저류조의 잉여 슬러지를 전해 처리하여 탈수 케잌의 함수율을 줄였으며, 사전 처리시설의 경우 하수처리장으로 유입되는 유입수를 직접 투입하여 MLE 공법과 함께 전해 처리하여 잉여 슬러지 발생량을 줄이고자 하였다.
사전 처리시설의 경우 기존 생물 반응조의 형태를 응용하여 전기분해 공정이 없는 대조군과 전기분해 처리공정을 거쳐 배출하는 전해군으로 나누어 운전하였다. 전기분해처리시설은 전해 농축조와 가용화조의 2단계로 구성되어 있으며, 침전조에서 유입시켜 전기분해 처리한 후 험기조로 배출하게 되어있다.
사전 처리시설은 24시간 운전하였으며, 대조군, 전해군의 유출수를 매일 채취하여 현장에서 분석하였다. 또 주 1회 유입수와 유출수의 수질을 분석하고 그 결과 데이터를 확보하기 위하여 외부 분석기관에 분석을 의뢰하였으며, ORP, pH 등의 센서를 이용하여 활성슬러지의 상태를 매일 확인하고 이에 따른 반송량, 유입량 등을 조절하였다.
사후 처리시설은 1차년도 Pilot test 결과를 바탕으로 설계한 15 ton/hr 규모의 plant를 제작, 운전하였으며, 조건 변화에 따른 슬러지 케잌 함수율의 변화 정도를 알아보았다. 또한 기존 설비에 주입되고 있는 응집제를 100% 주입하였을 경우와 순차적으로 응집제의 양을 줄임과 동시에 전기분해 처리를 하였을 때 슬러지 케잌 함수율의 차이를 비교분석하였다.
부상농축조와 가용화조의 인가전류량의 변화에 따른 슬러지 케잌의 함수율을 측정하기 위하여 각각 300 A~600 A, 400 A~1,200 A 까지 변경하여 수회 반복 운전한 후 슬러지 케잌을 채취하여 함수율을 측정하였다. 그 결과 전류 인가량이 높을수록 슬러지 케잌의 탈수율이 높아지는 것을 확인하였으며, 이러한 상관관계를 고려한다면 슬러지 케잌의 저감량을 예측할 수 있다.
IV. 연구개발 결과
사전 처리시설에 유입되는 유입수는 평균 162.6 mg/l 정도의 BOD를 유지하였고 유출수는 대조군과 전해군이 각각 15.5 mg/l 와 14.6 mg/l 로 근소한 차이를 보였다. 부유물질의 경우 대조군 (14.8 mg/l)보다 전해군 (9.6 mg/l)에서 더 낮은 값을 보였으며, 이것은 전해부상조에서 부유물질을 제거하기 때문으로 판단된다.
슬러지의 전기분해 정도를 간단하게 알아볼 수 있는 간접 인자로 SCOD와 가용화율을 선택하였으며, 이 성분들을 분석한 결과 활성 슬러지의 안정 후 최종 가용화율은 2.8%를 보였다.
24시간 생물 반응조 운전 시 반응조 내 MLSS 농도는 4,000~4,500 mg/l를 나타냈다. 적절한 생물 반응조의 농도 유지를 위하여 2,700~3,000 mg/l을 유지할 수 있도록 슬러지를 인발하고, 종료시점에서 전해군의 슬러지 발생량이 대조군 대비 약 40% 적은 것으로 나타나고 있다.
사후 처리시설 최적화 운전 시 전기분해에 따른 폴리머 저감량을 알아보기 위하여 1차 운전을 진행하였고, 폴리머 주입량을 기존 대비 100%~40%까지 변경하여 운전하였다. 폴리머 주입량을 60% 까지 낮추었을 경우의 함수율은 폴리머 주입량 100%일 때와 차이가 없었지만 40% 이하로 주입할 경우 확연한 차이를 나타내었다.
전해부상 장치의 인가전류에 따른 하수슬러지의 탈수율을 비교한 결과, 300 A(2.76%), 400 A(2.76%), 500 A(2.90%), 600 A(2.96%)로 인가전류가 높을수록 대조군 대비 하수슬러지의 탈수케잌의 탈수율이 높은 것으로 확인되었다. 하지만 하수슬러지 탈수케잌의 탈수율은 전해부상 장치의 인가전류에 비해 후단 설비인 전해 가용화 장치의 전류 인가량의 변화에 따라서 하수슬러지의 탈수율 변화가 큰 것을 확인할 수 있었다. 또한 폴리머 투입량에서는 기존 폴리머 투입량 대비 약 40%에서는 기존의 투입량에 비해 탈수율이 낮아지는 것으로 확인되었으며, 특히 60% 이상에서는 탈수케잌의 탈수율이 큰 차이를 보이지 않은 것으로 보아 경제성을 위해 60% 수준의 폴리머 투입이 적절할 것으로 확인되었다.
선진연구자들에 의해 탈질산화 반응은 0차 반응인 것으로 확인되어 왔으며, 무산소 반응조 질산농도는 경과기간에 따라서 일정한 속도로 감소되는 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 전기분해 슬러지를 이용하여 탈질실험을 진행한 결과, 선진연구자들의 결과와 경향성이 유사한 것으로 확인되었다.
V. 연구개발결과의 활용계획
◎ 활용 방안
- 기존 및 신설 하·폐수 처리장 슬러지 저감 장치로 활용(잉여 슬러지 발생량 40% 감량)
- 기존 탈수 시스템 개선 장치로 활용(탈수케잌 함수율 2~3% 저감)
- 생물학적 고도처리 공정 대체 탄소원 공급 장치로 활용(외부 탄소원 공급 제로화)
생물학적 공법에 따른 슬러지 특성을 고려한 설계 및 운전 조건을 upgrade하고, 슬러지 감량장치에 특성화된 전극을 개발하여 시설비 및 운전비 저감 방법을 강구 할 것이다.| 등록번호 | 청구기호 | 권별정보 | 자료실 | 이용여부 |
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