오존處理에 의한 下水슬러지 改質化 및 減量化에 關한 硏究 = (A) study on modification and volume reduction of sewage sludge by ozone treatment

국문 초록 (Abstract)

슬러지 처리에서 가장 중요한 것은 슬러지 발생량을 줄이고, 함수율을 낮추는 것이다. 하수슬러지 전처리는 이제까지 혐기성 소화효율의 개선에 초점이 맞추어져 있는 실정이다. 본 연구에서는 현재 가장 널리 사용되고 있는 폴리머 개량이 여과성만을 향상시킬 뿐이지 최종 케이크의 함수율에는 큰 영향을 미치지 못하는 한계를 극복하기 위해 여러 전처리 방법 중에서 오존을 하수슬러지에 적용하여 오존처리가 슬러지의 입도분포, 표면전하 및 부착수 함량 등의 성상에 미치는 영향을 분석하여 개질화 효과를 평가하였으며, 오존처리가 슬러지 농축성과 탈수성에 미치는 영향을 분석하여 감량화 효과를 평가하였다. 그리고 오존 처리한 슬러지에 고분자 응집제와 소석회 첨가에 의한 개량 효과와 최종적으로 배출되는 오존처리된 슬러지 케이크의 매립지 복토재로서 재활용 가능성도 고찰하였다.
B시 S하수처리장의 잉여슬러지를 대상으로 오존처리를 한 결과, 오존의 강력한 산화력에 의해서 슬러지 세포가 분해되어 TSS와 VSS/TSS는 감소하였다. 슬러지 세포의 분해로 세포내 고분자 물질이 용출되어 가용화됨으로서 SCODcr,, Soluble T-N, Soluble T-P가 증가하였다. 또한 슬러지의 유기물이 무기화되어 TCODcr이 감소하였다. 그리고 농축성과 침강성이 개선되었다.
오존처리에 의해 탈수성의 영향인자인 평균입경, 표면전하, 부작수 함량이 변화하였는데, 낮은 오존주입량에서는 슬러지가 분해되어 평균입경이 감소하였으나, 높은 오존주입량에서는 표면전하가 감소하여 평균입경이 증가하였다. 그리고 슬러지 플록이 파괴되어 세포 내의 간극수 유출과 슬러지 플록의 소수성 증가로 부착수 함량이 감소하였다. 높은 오존주입량으로 처리한 슬러지의 평균입경의 증가로 여과성이 향상되었고, 기계적인 탈수방법으로 제거가 되지 않는 부착수의 함량이 감소하여 탈수 케이크의 고형물 함량이 2배 이상 증가되어 탈수성이 향상되었다. 그리고 발생되는 탈수케이크는 오존주입량 0.6 gO₃/gSS에서 약 74% 감소되었다.
폴리머로 오존처리 전·후의 슬러지를 개량한 결과, 오존주입량 0.6 gO₃/gSS에서 폴리머 주입량을 증가시키지 않고도 탈수 케이크의 고형물 함량이 2배 가량 증가하였고, 소석회 개량을 했을 경우 오존처리 전의 슬러지와 비교해 여과성과 탈수성이 모두 증가하였다. 오존처리에 있어 오존주입량을 적절히 유지하면 여과성을 악화시키지 않으면서 낮은 함수율의 탈수케이크를 생산할 수 있다.
오존처리한 슬러지 탈수 케이크의 일축압축강도는 증가하였으나, 투수성이 감소하여 오존처리 슬러지만으로는 복토재로서의 재활용이 불가능하므로, 석회, 플라이애쉬, 전로 슬래그 등을 혼합하여 개량할 필요가 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

It is the most important for sludge treatment to reduce the volume and water content of sludge. The pretreatment of sewage sludge has focused on developing for an anaerobic digestion until now. It is the common tendency that polymer conditioning using widely in present doesn't have a good effect on reduction of water content of dewatered cake, even though it improves the filterability of sludge. For overcoming this limitation, we selected ozone treatment among lots of pretreatments. In this study, we assessed modification as analyzing particle size distribution, surface charge and bound water content of sludge with ozone treatment, and volume reduction as analyzing the effect for sludge thickening and dewaterability by ozone treatment. The conditioning effect of ozonized sludge investigated using polymer and lime as conditioner and suggested the possibility of reuse as cover materials in the landfill.
The waste-activated sludge was taken from a wastewater treatment plant in B city. The sludge cells were disrupted by ozone treatment and TSS and VSS/TSS were reduced. As the solubilization of sludge, SCOD_Cr, soluble T-N, soluble T-P were increased by released of intracellular materials. TCOD_Cr, was reduced due to mineralization, transferring organic materials to inorganic materials, and also the properties of thickening and settling improved.
Particle size distribution, surface charge and bound water content were respectively changed by ozone treatment. Mean particle size reduced at the low ozone dose, however, it increased due to the reduction of surface charge at the higher ozone dose. The disruption of sludge floc caused a release of interstitial water and hydrophobicity increasing, and it made bound water content reduced. The filterability was better due to the increase of particle size at the higher ozone dose, and a solid content in the dewatered cake increased two folds, because bound water that not removed by conventional mechanical dewatering method was reduced. The volume of a dewatered cake decreased by 74% at a dose of 0.6 gO_3/gSS.
At the dose of 0.6 gO_3/gSS, a solid content of cake increased by twice in case of ozonized sludge with same dosage of polymer. In case of lime conditioning, both the filterability and dewaterability were more enhanced through ozone treatment.
Uniaxial compressive strength of dewatered cake was increased, but coefficient of permeability of dewatered cake was reduced after ozone treatment. Therefore, it is necessary to reuse ozonized/dewatered cake as cover materials in landfill after its modification by means of lime, fly ash and slag.

목차 (Table of Contents)

• 목차
• List of Figures = i
• List of Tables = iii
• 국문초록 = iv
• Abstract = vi
• I. 서론 = 1
• II. 문헌고찰 = 4
• 1. 슬러지 전처리 = 4
• 2. 오존산화 = 8
• 3. 탈수성의 영향인자 = 11
• 3.1. 입도분포 = 11
• 3.2. 제타전위차 = 12
• 3.3. pH = 13
• 3.4. 탁도 = 13
• 3.5. 점성 = 14
• 3.6. 수분분포 = 14
• 3.7. 체외 고분자 물질 = 19
• 4. 탈수성의 평가지표 = 21
• 4.1. 여과비저항 (Specific Resistance to Filtration, SRF) = 21
• 4.2. CST (Capillary Suction Time) = 22
• 4.3. TTF (Time to Filter) = 22
• 4.4. 케이크 고형물 농도 (Soild content of cake, C_k) = 23
• III. 재료 및 방법 = 24
• 1. 실험재료 = 24
• 2. 실험장치 및 방법 = 25
• 2.1. 오존발생 및 농도측정 = 27
• 2.2. 여과비저항과 케이크 고형물 농도 = 29
• 2.3. TTF (Time To Filter) = 31
• 2.4. 부착수 = 32
• 2.5. 일축압축 시험 = 34
• 2.6. 압밀 시험 = 35
• IV. 결과 및 고찰 = 36
• 1. 오존전처리에 의한 슬러지 개질화 = 36
• 1.1. 슬러지 가용화와 무기화 = 36
• 1.2. 탈수 영향인자의 변화 = 40
• 2. 감량화 및 탈수효을의 변화 = 43
• 2.1. 침강성 및 탈수효율의 변화 = 43
• 2.2. 탈수효율의 변화 = 44
• 3. 개량에 의한 탈수성 변화 = 53
• 3.1. 폴리머에 의한 개량 = 53
• 3.2. 소석회에 의한 개량 = 56
• 4. 복토재로의 재활용 가능성 = 58
• V. 결론 = 61
• VI. 참고문헌 = 63
• 감사의 글