가압열수분해 반응에 의한 하수슬러지의 고액분리 및 생성물 특성

Abstract

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.