국내 하수슬러지는 2013년 기준 전국 569개 하수처리시설에서 약 3,531 천톤/년이 발생하고 있으나, “런던협약 ’96의정서”로 인해 2012년부터 해양투기가 전면금지 됨에 따라 하수슬러지의 최종 처분을 위한 다양한 논의 및 연구가 활발히 이루어지고 있다. 슬러지 처리방안 중 국내에서는 폐기물관리법 시행규칙이 개정(‘09.8.7)됨에 따라 공공하수처리시설에서 발생하는 하수슬러지 중 발열량이 에너지회수 기준에 적합하고 환경에 문제가 없는 경우에는 화력발전소에서 5%이내로 석탄연료와 혼합하여 연료로 사용할 수 있게 되었다. 슬러지의 건조 공정은 건조 방식에 따라 직접건조와 간접건조 방식으로 나눌 수 있으며, 건조방법에 따라 기류건조, 원심박막건조, 열풍 회전건조, 다단건조, 열매체건조 방법 등으로 구분할 수 있다. 건조기 형식에는 유동상 건조기, 드럼건조기, 디스크 건조기, 패들 건조기 등이 있다. 건조슬러지를 연료로 재활용하기 위해서는 함수율 10% 이하까지 건조해야 하며 일반적인 건조 연료화 공정에서는 함수율 80% 내외의 탈수슬러지를함수율 10%까지 낮추도록 하고 있다. 그러나 기존 건조 방식과 같이 슬러지의 함수율을 80%에서 10%로 낮추기 위해서는 상당량의 화석연료가 소모되어야 하며, 이는 경제적 문제뿐만 아니라 슬러지를 연료로 활용함으로써 얻게 되는 온실가스 감축효과를 상쇄시키는 문제점이 있다. 또한 함수율 40~60%구간은 최대점성구간(Glue zone)으로 슬러지가 건조되어 함수율이 40~60%에 도달하게 되면 슬러지의 뭉침 현상이 발생하여 열 전달 감소 및 점성 증가로 인하여 건조 효율이 저하되는 문제가 발생하고 있다. 이에 본 연구에서는 처리용량 약 4톤/일의 pilot plant를 설치하여 자체 개발한 고압 프래스 탈수기와 패들 건조기를 이용한 슬러지 건조시스템의 성능을 평가하고자 하였다. 우선 슬러지를 탈수하기 전에 톱밥, 건조슬러지 등의 부형재를 슬러지와 혼합하여 슬러지의 뭉침 현상을 근본적으로 억제하여 함수율 40~60% 구간에서도 뭉침이 발생하지 않도록 하였다. 실험결과 최적 부형제 혼합비율은 1(슬러지):0.4(톱밥)로 분석되었다. 부형재와 혼합된 슬러지는 시스템 전단에 설치된 고압 프레스 탈수기에 투입되어 함수율 80% 내외의 슬러지에 약 30kgf/cm²의 압력을 가해 함수율 40~50%로 낮추도록 하였다. 이때 고압 프레스 탈수기의 탈수효율을 증대시키기 위하여 일방향 탈수 방식이 아닌 양방향 탈수 방식을 적용하였으며, 기존 일방향 탈수 대비 탈수효율을 약 25%증대시킬 수 있었다. 탈수된 슬러지는 패들형 건조기에 투입하여 함수율 10% 이하의 건조연료로 생산하며, 이때 건조기 내의 교차된 패들이 회전하면서 슬러지를 이송하고 패들의 내부에 스팀이 공급되어 패들 표면의 복사열을 통해 이송물의 건조가 순차적으로 이루어지도록 하였다. 본 실증 실험결과 건조기 투입 슬러지의 함수율을 40~50%까지 낮춤으로 인해 건조기 체류시간 및 화석연료 사용량을 감소시킬 수 있었다. 또한 고압 프레스 탈수기 운전 시 탈수효율의 개선을 위해 부형제로 톱밥을 사용하여 기존의 건조 방식과 비교하였을 때 부형제로 투입되는 톱밥의 비용 및 고압 프레스 장치의 전력 사용량을 고려하더라도 경제성 확보가 가능하였고, 건조효율 개선 및 건조 시간 단축의 우수성이 있는 것으로 나타났다.

하수슬러지의 발생량은 산업발달 및 인구증가로 꾸준히 증가하고 있으나, 하수슬러지의 해양투기 금지로 대체 할 수 있는 새로운 처리 방법이 요구되고 있다. 특히, 최근에는 건조슬러지를 재이용하는 다양한 방안들이 제기되고 있으며, 그 중 활성탄을 제조하여 이용하는 방법이 있다. 활성탄은 일반적으로 석탄이나 목재와 같은 탄소질 물질을 이용하여 제조된다. 또한 활성탄의 제조는 탄화와 활성화 공정으로 이루어지며, 탄화와 활성화 공정의 인자들의 변화를 통해 활성탄의 특성이 달라진다. 따라서 본 연구에서는 국내 건조 하수처리장에서 발생한 건조슬러지를 이용하여 활성탄을 제조하였다. 탄화시간, 탄화온도, 활성화시간, 활성화온도, 수증기 주입량과 같은 여러 인자들의 변화에 따른 활성탄의 비표면적, 기공분포도의 분석을 통해 활성탄의 최적조건을 도출하여 활성탄을 제조하고자 하였다.

범정부적으로 2016년부터 유기성 폐수슬러지 해양배출이 전면 금지되고 육상처리를 권장하고 있어 주로 산업체에서 배출하는 폐수슬러지 육상처리 비용이 지속적으로 증가할 것으로 예상되며 따라서 슬러지 처리의 어려움으로 산업체의 경쟁력을 저하할 것으로 예상된다. 산업폐수 및 일부 하수슬러지에는 다양한 중금속과 미생물 분해가 어려운 유기물이 다량 포함되어 있어 기존 기술로 처리가 곤란한 실정이다. 육상처리 기술 중에서 비용이 저렴한 방법은 주로 매립에 준하는 것이므로 슬러지에 포함된 유기물에 의해 지구온난화지수(GWP)가 이산화탄소보다 21배 높은 메탄을 다량 배출하고 있으며, 중금속에 의한 지하수와 토양 오염이 우려된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 중금속 함유 산업슬러지를 건조 후 용융로에서 보조연료와 열분해 가스로 1,500℃이상의 고온 화염을 형성하여 폐수슬러지에 포함된 회분과 중금속을 용융 슬래그로 배출․유리화함으로써 분진 발생 감소와 회분에 포함된 중금속성분의 용출을 방지할 수 있다. 본 연구에서는 건조 폐수슬러지를 용융하기 위하여 용융로 및 2차버너를 제작하여 용융실험을 수행하였으며, 열 회수 장치를 설치하여 열 회수 실험 또한 수행하였다.

In this study, GC-MS linked with an automatic thermal desorber was used to quantitatively analyze the odorous and volatile compounds in the gas emitted from a sewage sludge drying facility. In addition, the removal characteristics of these compounds were investigated by using a pilot-scale packed bed wet scrubber. A quantitative analysis for 58 odorous and volatile compounds in the gas was successfully achieved with GC-MS and GC-FPD. The a quantitative analysis revealed the major odorous compounds were hydrogen sulfide and acetaldehyde. In addition, D-type siloxane compounds such as octamethylcyclotetrasiloxane (D4), decamethylcyclopentasiloxane (D5), and dodecamethylcyclohexasiloxane (D6), were quantitatively measured. The concentrations of siloxane compounds measured in the gas were in the range of 4.54- 7.36 ppmv, higher than those in landfill gas. The average removal efficiency of the odorous and volatile compounds in a wet scrubber was 67.37%. D4, D5, and D6, which are hydrophobic compounds, were also removed by as much as 50.68%, 44.56%, and 70.26%, respectively.

The objective of this study was to evaluate the microwave drying characteristics of mixtures of chemical wastewater sludge (70~90%) and anthracite coal (10~30%) with respect to physical and economic factors such as mass, volume reduction, moisture content, drying rate and heating value when the wastes were dried at different weight mixing ratio and for different microwave irradiation time. The drying process were carried out in a microwave oven, the combined drying process with a 2,450 MHz frequency and 1 kW of power. Maximum dry rates per unit area on the microwave drying of mixtures with chemical wastewater sludge and anthracite coal were 35.5 kg H2O/m2·hr for Cs90-Ac10; 40.1 kg H2O/m2·hr for Cs80-Ac20 and 35.0 kg H2O/m2·hr for Cs70-Ac30. The result clearly indicated that moisture can be effectively and inexpensively removed from the wastes through use of the microwave drying process.

정수장 고도화시설 및 육상 하폐수 처리장 증설에 의해 슬러지 탈수케익 발생량도 전 세계적으로 점차 증가하고 있으며 런던협약 ‘96 의정서 발효와 함께 해양투기 금지에 따른 각종 슬러지의 육상 처리의 필요성이 증대되었으나, 처리기술 부재에 의한 막대한 처리비용이 예상되어 이의 안정화된 재활용 처리 방안이 시급한 실정이다. 또한 에너지 사용량이 증가되고 에너지 비용이 크게 증가되고 있는 상황에서 생산과 소비생활에서 발생하는 슬러지의 처리와 에너지저감형 처리기술이 개발되어야 할 것이다. 본 연구는 에너지 저감형 처리기술로 저온건조기술을 제시하고 실험실 규모의 장치를 이용하여 이론 검증하고 그 결과를 통해 5톤/일 규모의 설비를 제작, 슬러지 처리 및 성능을 평가하였다. 수분 분석계를 통해 투입 슬러지의 함수율을 측정한 결과 80% 정도였으며 24시간 건조공정 후 배출 슬러지의 함수율은 30% 내외였다. 공정 중 투입되는 저온열풍은 100℃미만을 유지하였으며 투입되는 공기의 습도와 슬러지 건조 후 배출되는 공기의 습도 차이를 통해 투입하는 저온열풍의 양을 자동으로 조절하도록 구성하였다. 건조처리 공정시 사용된 총 에너지량은 (정수슬러지) 260kW/ton확인하였다.

하수슬러지의 해양배출은 2005년 77%, 2009년 47%, 2013년 14%로 점점 감소했으며, 유기성 슬러지의 직매립 금지, 런던협약에 의한 2012년부터 하수처리 슬러지의 해양투기가 전면 금지됨에 따라 전면적으로 육상처리를 위해 공공처리시설 및 민간위탁 시설에서 재활용 및 소각 등으로 대응하고 있으나 처리에 한계가 있다. 에너지 가격 상승에 따라 슬러지 처리비용이 지속적으로 상승하고 있어 설치･운영비 절감을 위해서는 육상처리 시설의 조속한 확충과 더불어 발생원에서 슬러지 감량화, 슬러지 처리 신기술개발이 필요하다. 이를 대체 할 처리 방법으로 우리나라와 중국 등에서 건조연료화 기술이 개발되어 적용하고 있다. 본 연구에서는 각종 사업장 폐수처리시설에서 다양하게 배출되는 폐수슬러지의 적정처리 및 재이용을 위하여 유중증발 건조기술을 이용하여 슬러지를 처리한 후 건조 전･후의 공업분석, 원소분석, 중금속분석, 발열량 측정을 하고 반응시간, 반응온도와 같은 건조조건에 따른 슬러지의 함수율 변화를 측정하여 각 조건에 따른 특성을 분석하여 유중증발 건조기술에 의한 폐수슬러지의 안정적이고 효율적인 처리 방법을 고찰하고 각종 산업단지에서 배출되는 폐수슬러지 성분에 포함된 다량의 중금속 등을 처리, 처분 시 용출량을 최소한으로 줄이고, 처리된 용융 부산물의 품위에 따라서 재이용, 재활용을 하기 위해서 용융실험을 수행하여 폐수슬러지를 친환경적이고 경제적으로 활용할 수 있는 기술을 개발하고자 한다.

하･폐수 슬러지는 퇴비화, 소각, 해양투기, 매립, 건조 에너지화 등 다양한 방법을 통해 처리하였으나,해양배출 금지, 환경 문제 등으로 인해 처리상 어려움이 있다. 하･폐수 슬러지는 건조화 방식을 통해 고형연료로 변환이 가능하며, 이는 신재생에너지로 활용하여 열적 변환을 통해 에너지를 생산과 동시에 효율적으로 처리할 수 있다. 건조된 하･폐수 슬러지는 저위발열량 12-15 MJ/kg, 회분함량 20~30% 로써 열적 변환 방식에 따라 전･혼소용 연료로 충분한 활용이 가능하다. 따라서 본 연구에서는 건조/고형 슬러지를 대상으로 열중량분석, 열분해, 연소를 통해 연료 특성에 대해 파악하였다. 건조/고형화 슬러지는 산업폐수를 활용하여 열수 건조 후 성형된 고형 연료로써 수분은 5.73%로 나타났다. 회분의 함량은 36.27%, 가연분 함량(휘발분+고정탄소)는 58.0%, 저위발열량 14.28 MJ/kg 이다. 열중량분석은 약 10 mg의 미량의 샘플을 사용하여, 질소분위기에서 800℃까지 5-50℃/min으로 승온율에 따른 무게감소량 등 연료 특성에 대해 분석하였다. 전반적으로 약 100℃ 내외에서 수분이 증발되며, 250-520℃에서 열분해가 진행되는 것을 확인할 수 있었고, 승온율이 증가할수록 열분해 시 온도에 따른 무게감소량이 점점 감소하였다. 슬러지의 저속 열분해는 직경 100 mm, 높이 300 mm의 고정층 반응기를 통해 550℃까지 50℃/min 으로 승온하여 열분해 후 생성된 촤,타르와 합성가스의 양과 조성을 분석하였다. 열분해를 통해 생성된 Tar는 원소 조성을 파악하여 Tar내의 다양한 조성을 측정하였다. 생성된 가스는 연소실험과 동일한 방법을 통해 가스조성, 발열량 등을 파악하였다. 이를 통해 가스화, 연소 모델 개발에 활동 가능한 기초자료를 도출하였다. 건조/고형 슬러지의 연소 특성 실험은 직경 310 mm, 높이 720 mm의 Lab-scale 고정층 반응기를 사용하여 공기유량 100-400 L/min(97-390kg/m2hr)의 범위에 대해 수행해였다. 연소실험의 온도분포는 반응기 내부에서 5 cm 간격으로 설치된 열전대를 통해, 연료 무게 감소량은 로드셀을 통해 무게 감소량을 측정하였다. 이때 생성된 가스는 Online 가스분석기를 통해 CO, CO2, CH4, H2 를 분석하며, Micro-GC를 통해 CxHy 등을 일정 시간마다 분석하였다. 실험결과 해당 유량범위에서 슬러지 연소는 당량비가 1이하인 연료과잉 상태로써 유량이 증가할수록 화염면의 온도가 상승하며, 그 결과로 화염면 하단으로의 열전달이 증가하면서 화염 전파 속도가 증가하였다. 또한 촤의 느린 연소속도로 인해 화염면 상부에 누적되며 화염면이 화격자에 도달한 후 고온의 촤 연소 영역이 형성되었다. 측정된 온도와 가스 조성, 무게 감소 결과는 향후 연소모델 개발을 위한 기초자료로 활용할 수 있다.

Fossil fuel combustion generates large amount of green house gas and it was considered major emission source causingglobal warming. For reducing green house gas, renewable energy resources have been emerged as an alternative energy.Among those resources, waste has been considered major resource as one of renewable energy, but it has been not utilizedsufficiently. In Korea, there are lots of efforts to utilize sewage sludge as one of renewable energy resources due to wasteto energy project of government. In this paper, sewage sludge was utilized as main fuel in order to recover heat energysource using oxy-fuel combustion in 30KWth circulating fluidized bed (CFB) pilot plant. Firstly, basic characteristics ofsewage sludge were analyzed and fuel feed rate was calculated by stoichiometry oxygen demand. For producing 30kwthermal energy in pilot plant, the feeding rate of sewage sludge was calculated as 13kg/hr. In oxy-fuel combustion, oxygeninjection rate was ranged from 21% to 40%. Fluidized material was more suitably circulated in which the rate of U/Umfwas calculated as 8 at 800oC. Secondly, Temperature and pressure gradients in circulation fluidized bed were comparedin case of oxy and air combustion. Temperature gradients was more uniformly depicted in case of 25% oxygen injectionwhen the value of excess oxygen was injected as 1.37. Combustion efficiency was greatest at the condition of 25% oxygeninjection rate. Also, the flue gas temperature was the highest at the condition of 25% oxygen injection rate. Lastly,combustion efficiency was presented in case of oxy and air combustion. Combustion efficiency was increased to 99.39%in case of 25% oxygen injection rate. In flue-gas composition from oxy-fuel combustion, nitrogen oxide was ranged from47ppm to 73ppm, and sulfur dioxide was ranged from 460ppm to 645ppm.

The amount of sewage treatment has been increasing year by year as the small and medium sized cities grow in Korea. Besides, the treatment of sludge has been more significant owing to the total ban on disposal of organic sludge in a landfill since April 2004 and ocean dumping of organic waste since December 2013. In this research, we studied the drying characteristics of sewage sludge by indirect heating device using thermal oil. The indirect heating device operated in a batch for 16 hours according to the variation of drying temperature between 100 and 200oC and the initial input weight of each type of sewage sludge was equally 60 kg. As a result, the moisture content in raw, excess and mixed sludge became lower than 10% under 14 hours at 160oC. The average water loss rate of raw, excess and mixed sludge is 0.436 g-wet/ min, 0.362 g-wet/min and 0.367 g-wet/min respectively at this stage. Therefore, the raw sludge can be dried well, using indirect heating device in sewage treatment plant. Also, it is better to dry raw sludge or excess sludge alone than mixed sludge because each type of sludge does not make synergistic effect but counter effect when they are together.

The aim of this paper is to compare the characteristics of the T-P removal from synthesized municipal wastewater by electro-coagulation using cylindrical Al and Fe electrode as anode. For this purpose, a concentric circle type electrolysis reactor was used and the operating conditions for T-P removal from synthesized wastewater are as follows; potential 10 V, electrolyte 0.03% NaCl, initial T-P concentration 1.0 ~ 6.0 mg/L and flow rate 1.0 ~ 5.0 L/min. From the experimental results, T-P concentration of treated wastewater was decreased to less than 0.2 mg/L enough to discharge standard and Al electrode showed performance than Fe electrode for T-P removal by electro-coagulation. Optimal conditions for T-P removal to less than 0.15 mg/L which is 75% of discharge standard for large scale municipal wastewater plant (capacity higher than 500 m3/day) were obtained as follows; flow rate 2.503 L/min, and 2.337 L/min, HRT 1.059 min, 1.134 min, for Al and Fe electrode, respectively. Consumed mass of Al and Fe were of 3.76 times and 8.90 times respectively, were obtained to removed T-P at optimal conditions with potential 10 V, and 0.03% NaCl as electrolyte.

2012년부터 실행된 유기성 슬러지의 해양배출 금지와 신재생에너지공급의무화제도(Renewable Portfolio Standard : RPS) 시행으로 인하여 유기성 슬러지의 건조 연료화 시설이 증가하고 있다. 슬러지 건조 기술로는 대표적으로 직접건조방식과 간접건조방식이 대표적이며, 이외에도 유온건조방식과 마이크로웨이브를 이용한 건조방식이 있다. 이러한 여러 가지 건조 방식에서 건조된 슬러지의 함수율은 10%이하를 나타내며, 이러한 건조슬러지는 저장․이송과정에서 자연발화로 인한 화재가 유발될 수 있는 것으로 보고되고 있다. 따라서 본 연구에서는 건조 슬러지의 자연발화 가능성을 알아보기 위하여 유온감압증발장치를 이용하여 슬러지 성상에 따른 건조 슬러지의 열적특성을 비교하였다. 본 연구에서 사용된 하수슬러지는 서울시에 위치한 J하수처리장에서 발생되는 농축슬러지와 소화슬러지를 사용하였으며, 건조에 앞서 고분자응집제(C-310P)를 주입 후 원심분리기를 이용하여 탈수를 하였다. 탈수된 슬러지는 유온감압증발장치를 이용하여 폐식용유와 이온정제유를 첨가하여 온도 110℃, 압력 -450mmHg, 슬러지와 기름의 혼합비를 1:1로 조절하여 90분 동안 건조하였다. 건조 슬러지의 열적특성은 열분석장치(TA-50 Series, Shimadzu)를 이용하여 열중량분석과 시차열분석을 실시하였으며, 분석 조건은 10℃/min 의 승온 조건으로 1000℃ 까지 승온하여 air 조건에서 측정하였다. 농축 및 소화슬러지를 유온감압증발장치를 이용하여 건조한 후 열중량분석를 실시한 결과 농축 및 소화슬러지는 200 ~ 450℃ 구간에서 전체 질량의 30 ~ 60%가 감량하는 것으로 나타났으며, 이는 대부분이 슬러지내 휘발성분이 방출되었기 때문인 것으로 판단된다. 농축 건조슬러지와 소화 건조 슬러지의 시차열분석을 분석한 결과 2개의 피크가 나타났으며, 이는 갈탄의 시차열분석 결과 값과 유사한 경향을 나타내었다. 2개의 피크 중 첫 번째 피크는 휘발물질에 의해 발생하는 것이며, 두 번째 피크는 슬러지 내의 고정탄소 및 차르물질인 것으로 판단된다. 또한 혼합 기름의 종류에 따라 건조슬러지의 시차열분석 피크의 형태가 다르게 나타났다. 이온정제유를 혼합하여 건조한 슬러지의 경우 첫 번째 피크 값이 두 번째 피크 값보다 높은 것으로 나타났으며, 폐식용유를 혼합하여 건조한 슬지의 경우 두 번째 피크 값이 첫 번째 피크 값보다 높게 나타났다. 이를 통해 기름과 슬러지를 혼합하여 건조하는 과정에서 슬러지 내로 치환된 기름이 건조물의 열적특성에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 또한 하수슬러지 연료탄 기준에 따라 착화온도를 분석한 결과 폐식용유를 혼합한 경우 원슬러지에 비해 착화온도가 높아지는 것을 알 수 있었으며, 이와 반대로 이온정제유를 혼합한 경우 원슬러지에 비해 착화온도가 낮아지는 것을 알 수 있다. 이상의 결과로부터 유온감압증발장치를 이용하여 건조한 슬러지는 혼합 기름의 종류에 따라 자연발화 온도가 다르게 나타나므로, 최소 370℃ 이하에서 건조슬러지를 저장 및 이송시 고려할 필요가 있는 것으로 판단된다.

우리나라의 하수슬러지 처리방법은 해양투기가 약 70%를 차지해왔으나, 런던협약으로 인해 해양투기 규제가 강화됨에 따라 소각 및 연료화 사례가 증가되고 있다. 그러나, 하수슬러지는 함수율이 높고 유기물함량이 상대적으로 낮기 때문에, 소각이나 연료화를 위해서는 건조전처리를 통해 함수율을 낮추는 과정이 반드시 필요하다. 슬러지 건조기는 열원의 접촉형태에 따라 직접건조방식과 간접건조방식으로 구분되며, 국내의 경우에는 소각로에서 발생한 폐열(폐스팀)을 이용하는 간접건조방식이 주로 적용된다. 슬러지는 유입원수, 소화･열처리 유무, 탈수보조제의 종류 등에 따라 건조속도가 차이가 발생하기 때문에, 건조기 용량 결정시에 대상슬러지의 건조특성을 사전에 실험을 통해 파악하는 것이 필요하다. 특히, 건조 과정중 함수율 50~70% 영역에서 점성이 높아지고, 슬러지가 건조기에 부착되어 건조효율을 저하시키기 때문에 주의가 요구된다. 본 연구는 동일한 타입의 건조기가 설치된 두 개의 하수처리장을 대상으로 진행되었다. 하수처리장에서는 각각 혐기소화슬러지와 호기성슬러지를 건조처리 중이었으며, 혐기성소화슬러지가 안정적으로 건조가 이루어지고 있는 반면 호기성슬러지는 설계용량의 50% 수준으로 운영되고 있었다. 운영중인 건조기에서 위치별로 슬러지 함수율을 측정하였으며, 혐기소화슬러지는 함수율 60~70% 수준에서 점성구간(Glue zone)을 형성된 반면, 호기성슬러지는 함수율 30% 까지 점성구간이 유지되는 것으로 확인되었다. 호기성슬러지는 넓은 함수율 범위에서 고점성을 유지하였으며, 건조기에 부착되어 건조효율이 저하된 것으로 판단된다. 실험실의 건조오븐을 이용하여 동일한 조건에서 건조속도를 비교한 결과, 혐기소화슬러지는 (초기함수율 82%) 목표 함수율 10% 이하로 건조하기 위해서 250분의 건조시간이 필요하였으나 호기성슬러지는 500분 이상의 건조시간이 필요한 것으로 나타났다. 또한 혐기소화슬러지는 건조과정에서 자연적으로 분말화가 진행되는 반면, 호기성슬러지는 입자끼리 뭉쳐져 있는 현상이 관찰되었다. 우리나라의 건조기 설계는 아직까지 제작사의 경험이나 기존의 설계사례에 의존하고 있는 실정이다. 그러나, 본 실험결과에서 나타난 바와 같이 슬러지는 성상에 따라 건조속도가 차이가 발생하므로, 건조기 설계에 앞서 슬러지 건조속도 등을 측정하여 반영할 필요가 있다. 특히, 호기성슬러지를 건조 처리하는 경우에는, 혐기소화슬러지에 비해 건조속도가 크게 차이가 날 수 있으므로 설계시 유의가 필요하다.

2011년 고함수 슬러지 발생량을 보면 폐수슬러지가 년간 306만톤, 하수슬러지가 230만톤 배출된다. 정부는 런던협약 준수와 해양 생태계 보호를 위해 2012년부터 유기성 하수슬러지, 2013년 음식폐기물과 축산분뇨 해양배출을 전면 금지하였고, 2014년부터는 유기성 폐수슬러지도 해양배출이 금지될 예정이다. 폐수슬러지와 하수슬러지는 80% 이상이 수분인 고함수 슬러지이다. 따라서 본격적인 처리에 앞서 이를 건조시키는 기술이 매우 중요하다. 유중건조기술은 고함수 슬러지에서 짧은 시간에 많은 양의 수분을 증발시키는 건조기술이다. 유중 건조된 슬러지는 창고에 적재하거나 장거리 이동시 수송기관에 적재한다. 이때 가장 문제가 되는 것은 자연발화현상이다. 실제로 자연발화 현상은 석탄 야적장에서 종종 관찰되는 현상이다. 유중건조 기술에 의해 건조 된 슬러지의 자연발화 실험결과를 Fig. 1에 나타내었다. 현재 국내외적으로 자연발화에 관한 구체적인 실험방법이 정해져있지 않기 때문에 각 연구기관에서 비공식적인 방법으로 자연발화 현상을 관찰하고 있다. 본 연구에서의 자연발화 실험은 측정하고자 하는 시료를 같은 크기로 분쇄하여 금속관에 투입 후 오븐에 수직으로 장착한 후 오븐의 온도를 일정하게 상승시키면서 시료가 채워진 금속관에 공기 및 질소를 주입하여 자연발화 현상을 관찰하는 방법이다. 슬러지 시료는 기름을 분리한 것과 분리하지 않은 것 2종류이다. 2종류 모두 오븐 온도보다 낮게 유지되는 것을 알 수 있다. 따라서 시료의 온도가 200 ℃ 이내로 유지된다면 자연발화 현상이 일어나지 않는다.

최근 하수슬러지의 고형연료화와 관련하여 건조 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 현재 산업용 건조 기술에는 여러 가지가 있으나, 일반적으로 대류 열전달 방법인 열풍 건조가 많이 이용되고 있다. 그러나 열풍 건조는 유지 관리 비용이 크며, 외부 조건에 영향을 받는 등의 운전상 어려움이 있다. 이에 비해 마이크로파 건조는 복사에 의한 내부가열 방식으로 건조시간을 단축시킬 수 있으며, 에너지효율 면에서도 뛰어나다. 그러나 국내에서는 적용 실적 및 성공 사례의 부족으로 인해 활용되지 못하고 있는 실정이다. Batch type의 lab-scale 1 ~ 4kW급 마이크로파 건조기를 사용하였으며, 하수슬러지 건조 시 피건조물의 최적 투입 두께는 2 cm 이하, 마이크로파의 최적 조사 높이는 조사너비의 70%로 도출되었다. 건조효율 평가를 위하여 2.4 kW급 열풍 건조기를 이용하여 비교 실험을 진행한 결과, 열풍 건조에 비해 마이크로파 건조가 동일 조건 하에서 건조시간은 2.7배 단축되었으며, 수분증발효율은 4배 높은 것으로 나타났다. 특히 수분함량 60 ~ 10% 구간의 수분증발효율은 마이크로파가 열풍보다 약 6배 높은 것으로 나타났으며, 피건조물의 초기 수분함량이 낮을수록 마이크로파 건조가 더 유리한 것을 확인하였다.

하수슬러지의 발생량은 해마다 증가하고 있으며 2011년 발생량은 310만톤에 다다르고 있다(환경부, 2012). 이처럼 수백만톤의 하수슬러지가 매년 발생하고 있지만 그에 대한 처리 기술력은 아직 부족한 것이 현실이며 발생슬러지 처리방법의 약 70%를 차지하는 해양배출은 런던협약에 의해 2013년 1월1일부터 전면 금지가 되었다. 이에 대해 대책으로 소각 및 재활용에 대한 비율을 높이고자 노력하고 있으며 특히 재활용 및 연료화 분야에 정부기관 및 다수의 연구기관에서 다양한 기술개발이 진행 중에 있다. 본 연구는 하수슬러지의 성상을 조사하고 파악함과 동시에 효과적인 슬러지 건조방법을 찾고자 함에 있다. 슬러지 건조방식은 크게 직접가온방식과 간접가온방식으로 분류할 수 있으며 이번 연구에서는 간접가온방식의 장점을 이용하여 슬러지 건조 특성에 대하여 알아보고자 하였다. 특히, 성상분석을 통하여 처리대상이 되는 하수슬러지를 파악하고 열매체유를 이용한 간접가온 방식의 슬러지 건조를 실시하였다. 열매체보일러를 통하여 운전온도를 조절하였으며 열원의 공급은 전기를 이용하는 방식을 사용하였다. 운전결과 180℃에서 운전시간이 12시간을 초과하면 슬러지의 함수율이 5%이하가 되며 수분변화율도 미비한 것으로 나타났다. 또한 운전시간이 8시간에서 10시간 사이에서 슬러지의 건조시 수분의 감소율이 약 20% 줄어드는 것으로 나타났다. 이는 슬러지의 수분이 낮아짐에 따라 수증기로 증발 시 발생되는 열손실량이 감소하여 슬러지 잠열이 고온으로 유지되고 이에 따라 해당시간에 함수율 변화폭이 크게 나타나는 것으로 판단된다.

본 연구에서는 유기성 슬러지와 섬유폐기물의 물성, 열적 특성을 파악하여 고형연료탄을 제작하여 고형연료탄에 대한 공업분석, 발열량분석등을 통해 고형연료로서의 활용가능성을 평가하였다. 제조된 고형연료탄의 공업분석결과 하수 슬러지 건조물과 섬유폐기물 혼합 연료탄(ST)은 평균 수분 3.5%, 휘발분 65.58%, 회분 9.12%, 고정탄소 25.30% 이며, 하수슬러지 건조물(S) 연료탄은 수분 10.2%, 휘발분 56.75%, 회분 33.73%, 고정탄소 9.52%로 측정되었다. 발열량의 경우 ST 연료탄 의 경우 평균 고위발열량 5,820 Kcal/kg, 저위발열량 5,520 Kcal/kg으로 나타나 슬러지 연료탄의 경우 평균 고위발열량 3,732 Kcal/kg(저위발열량 3,350 Kcal/kg) 보다 높게 나타났다. 국내 무연탄과 하수슬러지 고형연료탄의 기본적 물성치를 비교하면, 주 가연분에는 하수슬러지는 휘발분이 대부분이며, 무연탄에는 고정탄소가 대부분임을 알 수 있다. 때문에 하수슬러지 고형연료탄을 석탄의 보조연료로 사용할 시 휘발분에 대한 연소특성을 고려해야 할 것으로 사료된다. 더하여 발열량은 유사한 범위를 보였고, 원소분석 비교에서 석탄에 비해 N, S의 함량 비가 다소 높은 것으로 나타나 연소시 배가스 중 질소화합물과 황화합물의 양이 증가할 것으로 판단되며 이를 효과적으로 관리할 수 있는 배가스 저감시설에 대한 고려가 필요하다.

The drying and fuel technologies for sewage sludge have been developed due to the prohibition of ocean dumping and new renewable portfolio standard. This study was performed to enhance the quality of sludge derived fuel and compare drying characteristics for thickened and digested sewage sludge at different temperature, pressure and mixing oil conditions in oil vacuum evaporation system. In addition to investigate calorific value and characteristic analysis of dried sludge. The thickened and digested sludge used in this study were taken from municipal sewage treatment plant and coagulated using polymer (C-310P) in laboratory. The drying rate was increased with temperature and degree of vacuum and it was 25 mL/kg-sludge·min at 110oC and –450 mmHg. The moisture content of dried sludge products showed very low within 1% in the range of 0.4 ~ 0.8%. The evaporation rate of thickened sludge was lower than digested sludge and the constant evaporation period was also shorter. Compared the effect of waste cooking oil and refined waste petroleum oil on drying efficiency, the waste cooking oil showed more effective than refined oil in evaporation rate and drying time. The carbon and hydrogen contents of dried sludge with refined oil were higher than waste cooking oil. The low heating value of thickened dried sludge was higher than digested dried sludge about 400 kcal/kg and both of dried sludge showed high calorific value more than 4,000 kcal/kg.