하수 슬러지

건조 자원화 시설

ROTADISC 시스템 (중랑하수처리장 하수슬러지 처리)

김석권

목차

1.서론

2사업개요

3.설계기준

4.전체 공정 및 주요 처리공정

5.건조기 성능향상을 위한 검토사항

6.환경오염 방지시설 및 대책

7.자원 및 에너지 절감방안

8.결론 및 제언

1. 서론

2001년부터 하수슬러지의 직매립이 금지됨에 따라 하수슬러지의 처리 및 자원화에 대한 관심이 높아지고 있다. 하수슬러지의 다양한 처리방법 중 건조시스템은 슬러지의 열에 의하여 건조시켜 저함수율의 생성물을 유효이용하는 방법이다.

선진국에서는 슬러지를 건조후 녹농지에 이용하고 혹은 건축자재, 시멘트 원료로 이용하고 있다. 이러한 유효이용은 슬러지의 성상이 무기 슬러지인지 유기슬러지 인지에 따라 선정하게 된다.

여기에 소개하는 ROTADISC 건조시스템은 서울시에서 하수슬러지를 건조하여 시멘트 원료로 하는 타당성조사 결과에 의하여 제안된 것이다. 현재 국내에 대규모 하수슬러지의 건조시설이 소개되어 있지 않은 관계로 초기에 설계 및 제안에 많은 애로 사항이 있었으나, 외국에서 상용화 실적이 있고 보편화 되어있는 ROTADISC 건조시스템을 선정하고, 국내의 슬러지 성상 및 제반 기술여건을 검토하여 하기에 같이 제안하게 된 것이다.

이시스템은 아직까지 설치가 안된 실시설계 중에 있는 프로세스이므로 상당기간 동안 문제점이 보완되어 완벽한 시스템으로 전환될 예정이다.

2. 사업개요

이사업은 서울시의 하수처리장 자원화시설에 공모, 선정되어 서울시 하수처리장의 슬러지를 처리하는 시스템이다. 설치는 서울시 성동구 송정동의 중랑 하수 처리사업소 내에 예정하고 있으며, 구체적인 사업 목적은 탈수슬러지 의 감량, 위생처리 및 재활용하기 위한 건조시설의 건설공사로서 2001년 하수 직매립 금지에 따른 영구적 대책 수립, 장래 슬러지 해양투기 금지조치에 따른 근본적 대책의 수립을 위하여 실시되고 있다.

이러한 처리시설의 도입, 완공될 경우에는 발생슬러지 의 신속한 처리로 하수처리장의 안정적 운영에 기여하고, 슬러지 의 개별처리로 매립지 의 안정적 활용과 치리비용 절감을 이룰수 있다. 궁극적으로 환경개선에 의해 시민의 건강 및 공중위생의 질적 향상 및 건조슬러지의  재활용으로 자원순환형 사회구조 형성에 밑거름이 될 것이다.

이 사업에서 계획하고 있는 시설규모는 슬러지 벙커 270□, 건조능력 200톤/일, 건조슬러지 저장능력 450□인 시설로서 부대설비로는 보일러 11톤/시간, 습식세정시설, 악취제거설비 등이 있다. 공사기간 착공 후 600일(시운전 3개월 포함)로 되어 있으며, 현재에는 실시설계 단계에 있다.

3. 설계기준

3.1 시설 설계기준

이사업에서 ROTADISC 건조시스템 구체적인 설계에 앞서, 설계기준에 대하여 검토하였다. 시설에 대한 설계기준을 표1에 나타내었다.

우선 슬러지의 처리기준은 200톤으로 하였으며, 이양에 따라 반입설비, 건조설비를 계획했다 건조기는 일 100톤 처리용량 2기를 두는 것으로 하였으며 1기당의 시간당 최대 처리량을 5톤으로 하였다. 건조방식은 간접 가열식, 최종생성물의 함수율은 10% 이하로 하였다.

3.2 슬러지 성상에 대한 설계기준

초기 타당성조사에 의하여 얻어진 결과와 서울시 통계 자료를 기준으로 설계에 반여하였으나 기본설계 단계에서 슬러지 성상분석을 세부적으로 재실시하여 설계 및 운영 조건에 반영하고 있다.

(1) 서울시 하수슬러지 변동추이

하수슬러지를 함수율 변화는 건조시설의 중요한 설계인자이므로 지난 수 년간의 하수슬러지 함수율을 분석하여 그림 1과 같은 결과를 도출하였다. 슬러지 FS 함유량은 여름철에 높아지는 경향을 보이고 있으며, FS 함량이 증가할수록 수분함량이 낮아지는 경향을 보여주고 있다.

(2) 중랑 하수처리장 하수슬러지 성상 변동추이

서울시의 통계자료를 중랑하수처리장을 대상으로 하여 분석 하였다. 서울시 전체 하수슬러지 (평균 함수율 77%)에 비해 상대적으로 함수율이 낮았으며, 슬러지 함수율의 최대 변동폭이 약 20%였다.  평균 슬러지 함수율은 매년 증가하는 경향을 보여주고 있다.

(그림 2.3)

(3) 성상의 설계기준

상기의 통계조사 및 현장조사를 통하여 설계기준이 되는 슬러지성상을 결정하였다.

삼성분의 평균값은 수분 70%, 회분 12.9%, 가연분 17.1% 로 하였으며 원소조성은 통계값을 이용하여 설정하였다.

(표 2)

3.3 설계 주안점

슬러지의 건조/소각시설 공사경험 및 10년간 슬러지의 건조/소각시설 운전 Know-How를 바탕으로 이사업의 설정된 사업목표를 달성하기 위하여 하수 슬러지 특성을 고려하여 설계에 반영하였으며, 운전조작시에 일어날 수 있는 폭팔 및 화재방지 조취를 취하고, 기존시설과의 연계성 및 장래증설을 고려한 배치를 하였다.

또한 운영, 유지관리 용이성 및 에너지 절감방안을 고려하고, 건조된 슬러지가 재활용 될 수있도록 경제성을 확보하였다. 세부적으로 고려된 사항을 표 3에 나타내었다.

4. 전체공정 및 주요 처리공정

4.1 전체 처리 공정

이사업에서 제안된 처리공정을 그림 4에 나타내었다. 하수처리장으로부터 발생된 슬러지는 소화조를 거쳐 함수율 70%로 탈수된 후 슬러지벙커 로 이송되어 일시 저장된다. 탈수 슬러지는 펌프로 이송되어 함수율이 10% 이하로 건조된 슬러지와 혼합, 25%로 수분이 조정된후 건조기로 유입하게 된다. 건조기는 디스크형 건조기로서 증기에 의하여 디스크가 가열되어 건조되며, 건조된 생성물은 사일로에 저장·보관후 시멘트 원료등의 재활용 용도로 사용된다. 이런한 건조기의 부속설비로 건조기에 열을 공급하는 보일러 설비가 설치되며 건조기내에서 발생되는 배기가스에는 일부 분진이 동반되므로 분진포집기와 증발되어진 수분을 제거하는 콘덴서가 설치된다.

4.2 주요 처리공정 및 설비

이사업에서 각종 공정 및 설비는 설계기준에 적합한 최적의 설비로 구성되었으며, 운전이 용이하고, 공사비 절감 및 경제성이 있는 공정 및 설비를 선정하였다.

특히 수명을 연장시키기 위하여 내구성, 신뢰성, 에너지 절감, 내마모성, 내부식성등을 철저하게 검토하여 배치하였다. 과거의 운전실적등을 고려하여 운전조작과 유지관리가 용이하도록 공정을 조합시켰다. 주요 공정 및 설비를 표4에 나타내었다.

(1) 반입 및 공급설비

반입된 탈수 슬러지를 임시 저장하고 건조기에 필요한 적정량을 공급하기 위하여 설치 하였으며 악취방지 및 시설내 쾌적한 환경유지를 위한 완전밀폐형 설계 및 출입구 에어커튼을 설치하였다. 주요기기는 슬러지 벙커, 슬러지 공급펌프로 구성되어 있으며, 슬러지 가교현상(Bridge) 발생이 없는 푸시로드 배출장치를 설치하고, 슬러지 이송펌프 회전수에 의한 공급량 조절이 가능하다. 원활한 슬러지 반입을 위하여 동선을 확보하고 트럭의 추락을 방지하기 위한 턱을 설치하였으며, 벙커내에 슬러지 적재량을 수시로 확인가능하도록 벙커레벨 지시등을 설치하였다.

(2) 슬러지 투입구

슬러지 차량 반입시에 유입 실린더에 의한 자동개폐되도록 되어있고, 악취 및 비산먼지의 확산을 방지 하는 완전 밀폐구조로 설계 되어있다. 이 투입구의 기능은 슬러지의 벙커상부에 설치되어 슬러지 투입시 open되고, 상시 close되어 악취의 확산방지를 하는 목적으로 하였다.  형식은 유압식 자동 개폐 투입구이며, 용량 3.7m□3.7m 인 1 set 로 설치 하였다.

(3) 슬러지 벙커

투입경사각이 없는 사각형 철재 벙커구조로 설치용적을 최소화. push rod 방식을 적용하여 공급을 원활하게 하고, bridge 현상이 방지되도록 하였다. 악취발생을 최소화 하기위하여 완전밀폐형 구조로 되어있다. 벙커는 트럭 반입슬러지를 건조기로 공급하기 위하여임시 보관 기능을 한다.

형식은 push rod 배출형 (Stee Structure 구조)으로 하였으며, 용량은 270□(200톤 + 트럭5대분이상)로 1 set 로 하였다.

(4)건조 슬러지 공급펌프

실증플랜트에 적용된 설비로서 함수율 변동이 크므로 공급압력 조정을 위한 속도 조정을 적용하여 내구성 및 안전성을 증진 시켰다. 설비가 간단하므로 운전 및 유지관리가 용이하고, 비상시 유지보수가 신속하여 유동제어가 가능하다. 벙커에 저장된 탈수슬러지를 정량적으로 건조기에 공급하며, 형식은 용적회전형 Mono Pump(Screw 및 Feeder 내장형)이고 용량은 6.0□/hr □ 13kg/□g □ 2 Sets 이다.

(5) 슬러지 건조설비

슬러지 건조설비는 이 시스템의 가장 중요한 부분으로 ROTADISC형 (그림 7)을 채택하였으며 최종적으로 생산되는 건조물이 10%이하로 되는 완전 건조형으로 설계되었다.

유입되는 생슬러지는 반송되는 건조슬러지와의 혼합에 의해 수분이 조절됨으로써 슬러지 전열효율을 극대화 하였다. 또한 건조슬러지를 반송하여 재혼합하여 유입하는 것은 슬러지의 고유성질인 고착성질(Glue Phase) 영역에서는 운전되지 않도록 하기 위함이다.

건조기 내부에는 Scraper를 설치하여 열전달면에 불순물 축적을 방지하였다. 건조기 내부에 Paddle을 설치하여 슬러지의 혼합효과를 극대화 하였고 내부열의 분포를 효율적으로 하여 건조능력을 개선하였다. 주요기기는 건조기, 윤활유 공급설비, 배출스크류 컨베이어로 구성되어 있으며, 자동운전 및 설비의 안전성 확보를 위하여 슬러지 무게, 슬러지 온도, 내부압력을 측정하는 기기를 설치하였다.

건조기 설비의 설계에서 검토된 사항은 다음과 같다.

①슬러지내 수분증발의 극대화를 위해 건조기 내부 압력은 진공으로 유지(-10 ~ -20□Aq정도)하였으며, 배가스 온도를 98□로 유지하였다

②화재 및 분진폭팔에 대하여 안정된 설비로 설계하였다.

③전세계적으로 하수슬러지 건조에 가장 많이 채택된 방식을 선정하였다

④열효율의 극대화 가능 및 열전달 사각지대, 과열지역 방지 구조를 채택하였다.

⑤슬러지 성상변화에도 효과적인 처리가 가능한 재순환방식 채택 및 배출슬러지의 함수율 조절이 가능하도록 하였다.

⑥건조배가스와 함께 배출되는 분진등의 2차 오염물질 발생이 없는 설비로 하였다

⑦이송공기량 및 배가스량의 최소화로 후처리설비가 경제적으로 운영되도록 설계되었다.

⑧설비의 수명 극대화 및 유지보수비를 최소화 하였다.

(6) 배출 및 저장설비

건조슬러지 이송, 저장 및 반출설비로 구성되어 있으며, 반출시 건조슬러지의 비산방지를위하여 밀폐형 구조 및 비산분진 포집설비를 설치하였다. 수분함량이 30% 이상이면 메탄가스등이 발생하여 폭발의 가능성이 있으므로 가능한 수분을 10%이하로 유지하되 분진폭발방지를 위한 온도감지기, 불활성가스(N2) 주입설비를 설치 하였다.

(7) 건조배가스 처리설비

건조배가스주에 함유된 수증기와 분진을 제거하기 위하여 건조기 후단에 분진 포집기(Cyclone)와 콘덴서를 설치하였으며, 분진포집기 전단 덕트에 전기식 가열설비를 설치하여 운전초기 저온의 비산분진이 고착하는 것을 방지하였다. 냉각수는 하수 처리장의 방류수를 사용하고 응축수는 하수처리장 최초침전지를 배수처리 하도록 하였다.

(8) 악취제거 설비

수증기 및 비산분진을 제거한 건조배가스는 보일러로 유입시켜 연소용 공기로 사용하여 악취를 고온산화처리하도록 별도의 설비가 필요없는 경제적, 합리적인 악취 제거시스템으 구성하였다. 슬러지 반입 및 반출설비에서의 악취는 강제 흡입탈취하여 중화, 산화, 환원반응에 의하여 완전분해 처리하도록 하였다. 이러한 탈취설비(국산 신기술)는 효율이 우수하며 친환경적이고 유독성 약품을 사용하지 않으며 모든 악취물질에 효과적인 것으로 알려져 있다.

(9) 열공급 설비

수관식 증기보일러로서 건조에 필요한 증기를 생산하는 것을 목적으로 하고 있으며, 건조열원을 증기 선정으로 인근 성동 자원회수시설에서 잉여증기를 직접 활용 가능하다. 보일러의 효율을 극대화화기 위하여 공기예열기(연소용 공기예열), 저압 열교환기(보일러 급수승온)을 사용하였다.

5.건조기 성능향상을 위한 검토사항

5.1 하수 슬러지 최대 점성구간의 검토

(1)최대점성구간의 문제점

하수슬러지는 하수처리 공정특성과 농축·탈수과정에서 사용하는 응집제의 종류에 따라

슬러지의 성분이 결정되며 일반적으로 함수율에 따라 점성이 결정된다.

슬러지의 함수율에 따른 형상은 수분이 90%이상에는 액상이고, 수분이40~60% 에서는 덩어리 현상이 발생되며, 10~30% 일 경우에는 입자상이다

일반적으로 점성이 커져 덩어리 현상을 갖추게 되는 수분함수율 40~60% 구간을 최대 점성구간(Glue Zone) 이라고 하며, 이영역에서 슬러지 열전달면의 코팅 때문에 열 전달 성능이 떨어지고 점성증가에 의한 동력증가의 이유로 건조 공정자체를 어렵게 하므로 이영역에서의 연속운전은 피해야 한다. 최대점성형상은의 문제점은 다음과 같다

·전열면 코팅으로 인한 열전달효율 감소 및 건조기 성능저하

·슬러지 부착에 의한 전열면의 부식(Erosion) 및 건조기 수명 단축

·건조기내 슬러지 점성계수 증가로 인한 소요동력 증가

·건조기내에서의 슬러지 덩어리 생성으로 인한 불완전 건조

(2) 최대 점성구간(Glue Zone) 방지대책

하수슬러지의 특성에 맞는 건조시설의 건설과 운영시의 문제점을 토출하고, 기본설계시부터 반영하여 완벽한 시설이 되도록하는데 목적을 두고 건조시설의 기본설계 착수 전 하수슬러지 샘플을 채취하여 해외기술제휴선에서 (Atlas-Stord)에서 슬러지의 건조실험을 수행하였다

실험결과 일반적으로 알려진 슬러지 고착영역(40~60%) 보다 낮은 구간인 33~55% 사이에서 고착영역이 나타남을 확인하였다. 따라서 슬러지 건조시 최대문제점인 고착영역(33~55%)에서의 건조기 운전을 피하기 위해 건조슬러지의 재순환 (Recycling)을 통해 건조기 입구에서 슬러지 농도를 25%로 유지하여 슬러지의 고착영역을 피하도록 설계하는 것이 타당한 것으로 판단되었다.

설계는 Recycling System 구축으로 건조기 입구 슬러지를 함수율 25%로 유지하여 건조기 내부에서 Glue Zone 생성을 억제하고, 슬러지 점성제어시스템으로 Dryer Main Moter 에Ampare Meter를 설치하여 건조공정과정중 슬러지의 고착영역을 감지하여 재순환 건조슬러지 공급량을 증감제어로 하도록 설계되었다

5.2 기타 실험에 의한 하수슬러지의 특성 검토

(1) 실험조건 및 방법

1차 Pilot Test 는 완전건조방식에서 국내슬러지 성상 및 특성변화를 파악하고 열전달비율 및 오염계수를 측정함과 동시에 건조과정중 슬러지의 특성 변화를 파악하였다.실험은 Pilot Dryer(Mini disc)를 사용하여 서울시 하수슬러지 건조(전열 면적 0.17□)시켰다

2차 Pilot Test 는 Scale Up에 따른 Glue Zone 변화 및 증발율을 측정하여 설계 Data에 적용하였으며, Pilot Dryer(TST-2/3R) 사용 (전열면적 21□) 하였다.

3차 Pilot Test 는 Scale Up에 따른 설계 Data 도출 및 확인을 위하여 실시되었으며, 서울시 하수슬러지 30톤을 안산시에 설치된 건조기로 실험하였다.

(2) 주요 실험결과

3차에 걸친 Test 결과 서울시 하수슬러지의 특성을 파악하였으며 설계인자 도출 및 확인을하였다. 서울시 하수슬러지의 경우 Glue Zone 의 발생범위가 일반적으로 알려진 범위보다넓은 33~55 % 임을 확인, 따라서 건조기 내부슬러지 함수율이 최대 25%이하가 되도록 건조 슬러지 재순환설비를 고려 되어야 할것으로 검토되었다

증발율은 기계적 구조상 과열지역 및 열전달 사각지대가 없는 것으로 드러났으며, 실험결과증발율 11 □/□hr 이하로 결정하여 전열면적을 설계해야 한는 것으로 밝혀졌다. 또한 화재발생 가능성 확인사례를 통해 화재/폭발발생에 대비한 안정장치가 고려되어야 하며 별도의 성형설비는 불필요한 것으로 검토되었다.

또한 대부분의 실험에서 수분함수율은 78 %에서 5% 혹은 10%이하로 얻어졌으며 건조슬러지 비중 (함수율 10%)은 700□/□로 측정 되었다.

6.환경오염 방지시설 및 대책

6.1 일반사항

각종건조공정에서 발생되는 각종 환경오염원의 완벽한 처리를 위한 오염원별로 적합한 처리방법을 선정하였고, 공사시의 소음 , 분진, 운영시의 악취 및  소음등에 대한 환경계획을 수립되어 있다. 방지시설의 기준은 안정성(설계기준치 이하로 오염물질 처리), 경제성(최소의 운영관리비 및 2차오염 물질 배출), 유지보수 용이성(운전 및 유지보수가 용이)에 두었다.

6.2 발생오염원 및 방지계획

건조기 배가스와 함께 배출되는 악취는 비산분진 제거공정을 마친후 공기예열기에서 예열하고 보일러 연소용 공기로 사용하여 산화처리하며, 슬러지 벙커 및 각종 컨베이어에서 발생되는 악취는 포집후 탈취기에서 처리하는 것으로 하였다. 이러한 설비는 밀폐형 기기 적용으로 소풍량으로 악취포집이 가능하여 경제적이며, 외부 악취확산 방지, 공장동 내부공기를 연소용 공기로 사용하므로 건물외부로의 악취확산을 방지하였다.

발생되는 오·폐수는 사업부지가 하수종말처리장에 위치하므로 하수종말처리장으로 이송하여 처리하는 것이 적합하다. 건조설비에서 배출되는 공장폐수는 대부분 냉각수로써 중금속 성분은 없고 BOD 및 SS 는 하수종말처리장 유입수보다 낮다.

즉, 발생 오·폐수량이 하수종말처리장보다 현저하게 작으므로 부하변동이 적다.

7. 자원 및 에너지 절감방안

7.1 설비 및 공정에 의한 에너지 회수

공정중에 발생되는 각종 폐열을 회수하여 설비의 효율을 높이며 에너지 사용량을

최소화 하였다

(1)열교환기에 의한 폐열회수

건조기에서 배출되는 응축수로 인한 급수온도르 승온하여 보일러의 열효율을 향상시키고 보일러 급수배관 및 탱크의 운전압이 대기압이므로 유지보수가 용이하고 설비의 내구성을 증진 시켰다.

(2) 공기예열기에 의한 폐열회수

보일러 배가스를 이요앟여 연소용 공기를 예열하여 보일러 열요율을 향상시킨다

(3) 슬러지 냉각기

-재순환 슬러지를 제의한 실제 배출되는 양을 냉각하므로 냉각수량을 최소화 시킨다.

-필요 냉각수량이 적어지므로 관련설비 규모 및 전력소모량을 최소화 할수 있다.

7.2 자동운전에 의한 에너지 절감

항상 최적의 조건을 유지하여 에너지 손실을 절감, 부하변동시 프로그램에 의한 신속한 운정상태를 변경하도록 하였다. 풍부한 운전실적 및 측정 data에 의한 제어 프로그램. 국내 발생 슬러지의 pilot test 에 의한 국내 실정에 맞는 제어계통을 적용시켰다 또한 필요유량에 따라 펌프의 가동 댓수 제어로 동력소모를 최소화였다.

건조기 내에서의 운전조건과 실제사항을 비교하여 이상 발생시 신속하게 대응되므로 운전에 의한 에너지 낭비요소를 제거하였으며. 슬러지 함수율 변동사항 발생시 증기 공급량 및 슬러지 재순환량의 최적값을 찾아 운전에 반영하므로 최소의 에너지소모로 설비운영이 가능하도록 하였다. 건조슬러지가 glue zone (일반적으로 점성이 커져 덩어리 현상을 갖추게 되는 수분함수율 (40% ~ 60%) 구간을 최대점성구간 - glue zone 이라고 한다.) 으로 들어가는 것을 자동으로 방지하여 과부하에 의한 과다한 전력소모의 방지 및 설비파손을 방지 하였다. 또한 건조기 운전조건에 따른 송풍기, 펌프 및 보일러의 자동부하 제어로 전력소모를 최소하 시켰다.

8. 결론 및 제언

중랑 하수처리장의 하수 슬러지 자원화 건조 Plant 는 국내에서 2 ~ 3차례 선 시행착오 경험과 해외 최고·최대 실적업체인 Atals-stord 社 건조기술이 결합하여 중랑하수처리장 하수슬러지 특성을 사전에 특성을 분석을 통하여 설계하였다. 따라서 Full Drying System 의 슬러지 건조과정에서 가장 문제가 되는 Glue Zone을 건조기 외부에서 혼합하여 투입하므로 아주 쉽게 해결하였고, 탄천슬러지 건조공정인 직접 열풍식보다 화재 및 폭팔에 안전하게 하였다. 에너지 효율면에서도 직접열풍식 에 뒤지지않게 열교환기를 이용한 설계를 하여 지금까지 국내에서는 가장 최신의 시설이라고 말할수 있다.

그러나 슬러지 성분은 계속 변화하므로 앞으로 그 특성을 장기간에 걸쳐 좀 더 분석 및 조사하여 최적의 건조공정이 되도록 노력할 것이며 제작 및 운전에 발생할 작은 문제도 계속검토하여 세계최고의 시설이 되도록 노력할 예정이다.

또나 국내 시설설치에서  뿐만 아니라 전세계에 수출전략을 위한 Standard Model Plant가 되어 주길 바라며 그 목적을 달성하기 위하여 건조기 설계 및 제작 국산화 기술도 함께 따라야 할 문제라고 본다.