가압열수분해 반응에 의한 하수슬러지의 고액분리 및 생성물 특성
Characteristics of solid-liquid separation and products by pressurized thermal hydrolysis reaction of sewage sludge
초록/요약
본 연구에서는 하수슬러지의 세포파괴를 통해 고상 및 액상의 생성물을 분리해내고 이들의 재이용 가능성을 확인하였다. 하수슬러지는 세포 내부에 다량의 수분을 포함하고 있어 우선 세포벽의 파괴를 통한 수분의 분리가 중요하며, 이와 함께 슬러지 세포벽의 주요 구성물질인 단백질의 경우 특유의 점성으로 인해 처리에 어려움이 있었는데 이와 같은 문제점도 해결이 가능함을 확인하였다. 기존 연구들이 대부분 함수율 97% 수준의 농축슬러지를 대상으로 적용한 것과 달리 함수율 80% 수준의 탈수슬러지를 대상으로 적용하였고, 또한 건조와 같은 전처리과정 없이 하수슬러지를 그대로 밀폐형 반응기에 투입하여 비교적 간단한 공정으로 상용화가 가능하도록 실험실적 규모의 기초연구를 수행하였다. 열수분해 반응 장치의 구현은 밀폐형 반응기를 적용하였는데, 반응 온도의 증가에 따라 포화수증기압 이상의 압력이 형성되어 수분이 증발되지 않고 액상으로 존재하여 잠열(539cal/g)로 소비되는 열에너지를 줄일 수 있었으며, 또한 직접 슬러지에 열에너지를 전달하는 열매체로 작용하였다. 이와 같은 반응을 통해 슬러지를 구성하는 플록 및 세포의 파괴가 일어나고 세포 내부의 수분이 분리되는 현상을 확인하였는데, 이는 반응 전·후의 입도 분포, 탈수능, 가용화율 등의 분석을 통해 그 증거로서 판단하였다. 반응 후의 생성물은 고상의 고형물(solid fraction)과 액상의 반응여액(liquid fraction)이 섞여 있는 고액 슬러리(slurry) 상태로 얻어지게 되는데, 탈수능 지표인 CST(Capillary Suction Time)와 TTF(Time to Filtration)를 통하여 탈수능 향상을 확인하였고, 기계적인 탈수만으로도 함수율이 대폭 낮아져서 200℃ 반응 조건에서는 함수율 42.88%, 250℃에서는 함수율 25.59%(수분량 91% 제거)의 결과를 얻을 수 있었다. 또한 고액 슬러리는 반응온도와 시간이 증가할수록 탈수능이 향상되었으며 반응온도의 영향이 더욱 큰 것으로 확인되었다. 170~180℃의 온도 구간에서는 낮은 탈수능을 나타내었는데 이는 기존 유사 문헌들에서도 확인된 현상으로 슬러지 유기물이 분해되는 과정에서 세포벽을 구성하는 주요 물질인 ECPs(Extra Cellular Polymers)의 농도 증가에 기인하는 현상으로서, ECPs를 대표하는 단백질과 점도 분석을 통해 탈수능이 낮아지는 원인을 확인하였다. 그러나 반응온도가 190℃ 이상으로 증가하면 ECPs의 농도가 감소하면서 점도도 감소하여 탈수능이 향상되는 것에 부합하는 결과를 확인하였다. 하수슬러지의 입도 분포는 반응온도가 증가할수록 50～1000㎛ size 의 거대입자들의 크기가 감소하여 평균 입경(D0.5)이 12.8㎛ 까지 수렴하는 것을 확인하였다. 이와같이 슬러지의 플록과 세포가 파괴됨으로서 탈수능 및 가용화 향상과 상관관계가 있는 것을 확인하였다. 또한 200℃ 미만의 반응온도에서는 stirring을 통해 반응기 내부의 균일한 열전달로 생성물의 반응특성이 좋아지는 것을 확인하였다. 고상 생성물의 경우 FT-IR 결과에 의하면 -OH, C-O 및 C=O기를 통해 수분의 양은 감소하고, C=C 및 C-H기를 통해 탄화도가 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 공업분석결과에서 반응온도가 증가할수록 고정탄소가 증가하며, 원소분석 결과에서는 산소의 함량 감소를 확인 할 수 있는데, 이러한 결과를 총체적으로 분석하면 열수분해 반응온도 증가시 고상 생성물의 탄화도가 증가하여 단위발열량도 증가 하는 것으로 판단된다. 액상 생성물의 SCODcr 변화를 살펴보면 반응 초기에 온도가 증가할수록 SCODcr의 급격한 증가와 180℃ 이후에 안정화되어 70,000mg/ℓ정도를 유지하는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 플록 및 세포벽 파괴의 간접적인 증거임과 동시에 가용화 되었다는 것을 나타낸다. 가용화율을 평가하는 SCODcr/TCODcr 비율로 40～60%를 유지하였다. 따라서 액상 생성물의 경우 고농도의 용존성 유기물을 외부 탄소원으로 활용하여 C/N비가 부족한 하·폐수에 적용시켜 탈질 공정의 미생물의 유기물로서, 또는 혐기소화반응의 기질로서의 적용 가능성 평가를 각각 수행하였다.
more초록/요약
In this paper, the possibility was verified to separate the solid-liquid product through sludge-sewage cellular destruction and to recycle them. Beware sludge has much water in cellular that Pi rat it is important to separate the water through cellular destruction, and with this in cane of protein, which ie the main materia1 of sludge call wall there was Bone difficulties in disposing because of its on Viscosity but also the possibility was verified to solve such a problem. Different from the existing studies that almost were applied to thickening sludge of 87% level of moisture content, it was applied to the dewatered sewage sludge of 80% 1eve1 of moisture content, and also the basic study of Lab scale was performed to commercialize the sewage sludge with relatively simple inspection by throwing it into the enclosed type reactor without the previous process like drying. For the realization of thermal hydrolysis reactor, the enclosed type reactor was applied, and the heat energy could be reduced of which is spent with latent heat(538ca1/g) by not evaporated water by being formed the pressure over the saturated steam pressure according to its increasing of temperature reacted, and existed as liquid phase, and also acted as heat medium that directly transmits the heat energy to sludge. Through this reaction, a phenomenon was verified that floc and cell, which compose the drying sludge, was destructed and the water in call was separated, and this was judged as its evidence through the ana1ysis of particle size distribution, dewaterability, solubilization rate of pre or poet reaction. The product poet-reacted is obtained in the solid-liquid Blurry BBtate where solid fraction and liquid fraction are mixed, verified to be improved the dehydration through CST(Capillary Suction Time)and TTF(Time to Filtration) of which is dehydration index, by only mechanic extraction was greatly reduced moistures content that the result could be obtained with 42, 88% of moisture content in condition reacted of 200C and 25.58% of moisture content(eliminated 81% of water content) of 250C. Also, the dehydration of solid-liquid slurry was improved as increasing temperature and time reacted and verified to be more influenced by temperature reacted. The dehydration was shown low between the temperature of 170~180 C, and this is the phenomenon that contribution to increase the concentration of ECPB(Extra Cellular PolymerB) of which is the main material that constitutes the cell wall in the course of sludge organic matter being separated an verified even in the existing similar documents, verified the cause of which the dehydration through the protein and viscosity analysis that represent ECPB However, if reaction temperature is increased more than 180C the result was verified that the concentration of ECPb was reduced and viscosity reduced to contribute to the dehydration improved. The particle size distribution of dewatered sludge wan verified that an reaction temperature increase the size of macroparticle of 50~1000 is reduced and constricted it as its area of 1. This is that floc and cell of dawatered sludge is destructed through thermal hydrolysis reaction, and understood related to the dehydration and solubilization phenomenon. In case of solid phase product, according to the resuit of FT-1R the water amount is reduced with redudtion of - DH, C-D, C=D, and as C-H, C=C is increased to increase the carbonization degree. And in the result of proximate analysis as the reaction temperature is increased the fixed carbon increased, while in case ultimate analysis the oxygen content reduced is verified, and resuming this result it is. judged that in cave of thermal hydrolysis reaction temperature increasing the carbonization degree of solid phase product is also increased and even heating value. observing the SCKKcr change Of liquid phase product as the temperature in the first reaction it was verified that SCDDcr is drastically increased and stabled after 180℃ constantly in about 70,000mg/ℓ. This shows that it is the indirect avidence of destruction of floc and call wall and at the same time soluvilized. A1so the value of SCDDcr/TCDDcr, which evaluated the solubilization rate, was maintained with 40~80%. So in case of liquid phase product each evaluation was performed if it is possible to apply as microbial organic matter of denitrifying process applying it to sewage treatment plant where is wanting C/N ratio, or as inclination of anaacrobic digestive reaction by using dissolved organic matter highly concentrated as external carbon source.
more목차
국문요약 = ⅰ
List of Tables = ⅵ
List of Figures = ⅷ
제1장 서론 = 1
제1절 연구배경 및 필요성 = 1
제2절 연구목적 및 내용 = 3
제2장 문헌 고찰 = 5
제1절 국내 하수슬러지의 발생 및 처분 현황 = 5
제2절 하수슬러지의 특성 = 10
2.2.1 하수슬러지의 물리·화학적 특성 = 10
2.2.2 하수슬러지의 입도 분포 = 15
2.2.3 하수슬러지의 수분 분포 = 16
2.2.4 체외 고분자 물질(ECPs) = 18
제3절 하수슬러지의 열 가수분해 = 22
2.3.1 하수슬러지의 가수분해 반응기작(Mechanism) = 22
2.3.2 하수슬러지 입자의 가용화 효율 평가 = 26
2.3.3 하수슬러지의 기존 가수분해 연구동향 = 27
2.3.4 하수슬러지의 열적 가수분해 = 28
2.3.5 열처리 및 열 가수분해에 의한 연료화 재이용 주요 개발 공정 = 32
제4절 밀폐형 가압열수분해 반응의 원리 및 적용 = 39
2.4.1 가압열수분해 반응의 원리 = 39
2.4.2 가압열수분해 반응의 적용 및 특징 = 41
제3장 실험 및 분석방법 = 46
제1절 실험재료 = 46
제2절 가압열수분해 반응 장치 구성 = 46
제3절 가압열수분해 액상 생성물의 외부탄소원 적용성 평가 실험 = 51
제4절 분석장치 및 방법 = 56
제4장 결과 및 고찰 = 63
제1절 하수슬러지의 기초 성상 및 분해 특성 = 63
4.1.1 유기물 함량별 물리화학적 특성 = 63
4.1.2 하수슬러지의 열분해 동력학적 특성 = 68
제2절 가압열수분해 반응에 의한 고액분리 특성 평가 = 71
4.2.1 ECPs 특성 변화 및 탈수능 = 71
4.2.2 세포 분해에 의한 입도분포 변화 및 탈수능 = 76
제3절 고상 생성물의 연료화 이용 가능성 및 반응조건 최적화 = 82
4.3.1 반응온도의 영향 및 온도 조건의 최적화 = 82
4.3.2 반응압력의 영향 및 압력 조건의 최적화 = 95
4.3.3 반응시간의 영향 및 시간 조건의 최적화 = 97
4.3.4 유기물 함량에 따른 고상 생성물의 연료화 가능성 비교 평가 = 99
제4절 가압열수분해 액상 생성물의 가용화 및 외부탄소원 적용성 평가 = 101
4.4.1 하수슬러지의 가용화 = 101
4.4.2 탈질 공정 외부 탄소원 적용성 평가 = 105
4.4.3 혐기소화 적용성 평가 = 113
제5절 가압열수분해 생성물의 물질 및 에너지 수지 평가 = 115
제5장 결론 = 118
참고문헌 = 122
Abstract = 132
