호기성 폐수 활성슬러지 소화 과정에 대한 초음파 처리
고출력 초음파 처리는 호기성 소화 과정 전이나 도중에 폐활성슬러지(WAS)를 분해합니다. 음향 캐비테이션은 슬러지 플록을 분해하고, 세포외 고분자 물질을 파괴하며, 미생물 세포를 열어줍니다. 이를 통해 이전에는 보호받던 유기물이 호기성 소화조에서 더 쉽게 분해될 수 있게 됩니다.
호기성 공정의 경우, 목표는 바이오가스 생산량 증대가 아닙니다. 메탄 증대는 혐기성 소화 과정과 관련이 있습니다. 호기성 소화조에서 중요한 성과 지표로는 휘발성 고형물 분해율, 산소 소비량, 소화 시간, 잔류 건조 고형물, 탈수성 및 총 운영 비용 등이 있습니다.
Hielscher 산업용 초음파 처리기는 펌프가 장착된 WAS 라인이나 소화조 재순환 루프에 통합됩니다. 초음파 유동 셀 반응기는 처리 과정을 정의된 슬러지 유량에 집중시키며, 출력, 유량, 고형분 농도, 압력 및 온도를 통해 공정을 모니터링할 수 있게 합니다. 그 결과, 기존 호기성 소화조를 교체하지 않고도 초음파 슬러지 분해 기능을 추가할 수 있는 소형 개조 솔루션이 구현됩니다.
농축된 WAS 처리를 위한 Hielscher 산업용 초음파 인라인 유동 스키드
왜 폐활성슬러지의 분해가 어려운가
폐활성슬러지는 활성슬러지 방식의 폐수 처리 과정에서 제거된 과잉 생물학적 고형물입니다. 여기에는 미생물, 세포외 고분자 물질(EPS), 포집된 유기물 및 불활성 고형물이 포함되어 있습니다.
2차 침전조에서 침전된 활성슬러지는 두 가지 흐름으로 나뉩니다:
- 반환 활성 슬러지(RAS)는 필요한 생물량 농도를 유지하기 위해 폭기조로 되돌려집니다.
- 폐활성슬러지(WAS)는 액체 처리 공정에서 제거되어 농축, 안정화, 소화 또는 탈수 공정을 거치게 됩니다.
WAS에는 미생물 세포 물질이 높은 비율로 포함되어 있습니다. 생분해성 유기 성분의 상당 부분은 세포벽에 둘러싸여 있거나 조밀한 슬러지 플록 내부에 결합되어 있습니다. 이러한 물리적 보호 작용으로 인해 자연적인 세포 용해 및 가수분해 과정이 지연됩니다.
호기성 소화 과정에서는 산소가 공급되는 반면, 새로운 영양분은 거의 공급되지 않습니다. 미생물들은 내생 호흡 상태에 들어가 저장된 물질, 사멸한 세포 및 기타 생분해성 슬러지 성분을 소비합니다. 이는 슬러지를 안정화하고, 악취 발생 가능성을 줄이며, 탈수 및 처리가 필요한 휘발성 고형물의 양을 감소시키기 위함입니다.
분해 속도는 종종 기질에 대한 접근성에 의해 제한받습니다. 소화조에는 활성 미생물이 있고 충분한 체류 시간이 확보되어 있을지라도, 온전한 세포와 조밀한 플록 내부에 있는 유기물은 여전히 접근하기 어렵습니다.
처리되지 않은 플록과 초음파 처리를 거친 슬러지의 비교: 초음파 처리는 플록을 현저히 감소시킨다.
연구 및 이미지: ©Chu 외 2001
초음파 캐비테이션이 호기성 소화 과정에서 WAS를 어떻게 활성화하는가
Hielscher 산업용 초음파 처리기는 20kHz에서 작동하며, 액체 및 슬러리 유동 내에서 강렬한 음향 캐비테이션을 발생시킵니다. 슬러지 내부에서 캐비테이션 기포가 형성되고, 성장한 뒤 붕괴됩니다. 이러한 기포의 붕괴는 플록, EPS 및 미생물 세포에 직접 작용하는 강력한 국소 전단력을 생성합니다.
초음파 처리는 WAS에서 세 가지 중요한 변화를 일으킵니다:
플록 분해
캐비테이션은 슬러지 응집체를 분해하고, 이전에는 세포외 고분자 물질(EPS)에 둘러싸여 있던 표면을 노출시킵니다. 처리된 슬러지는 더 작은 입자를 포함하고 있으며, 접근 가능한 표면적이 더 넓어집니다.
EPS 및 세포 파쇄
초음파를 이용한 분해 처리는 단단한 슬러지 플록을 분해하고 갇혀 있던 유기물을 방출함으로써 도시 폐수 활성슬러지의 호기성 생분해성을 높입니다. 초음파 캐비테이션은 세포막과 세포벽을 파괴합니다. 단백질과 탄수화물은 물론 기타 세포 내 화합물들이 액상 단계로 이동합니다.
생체이용률 증가
호기성 미생물은 온전한 미생물 세포나 조밀한 플록보다 용해성 및 미세하게 분산된 유기물을 더 쉽게 분해할 수 있다. 따라서 초음파 처리는 생물학적 산화 단계에 앞서 기계적인 방식으로 세포 용해 및 가수분해 과정의 일부를 수행한다.
초음파 처리는 하수 슬러지의 두꺼운 보호막을 표적으로 하여 미생물 분해 과정을 훨씬 더 빠르고 효율적으로 만듭니다. 이는 일반적으로 용해성 화학적 산소 요구량(SCOD)의 증가로 나타납니다.
WAS 분해를 개선하기 위한 산업용 초음파 유동 반응기
호기성 소화 시설에서 초음파 처리가 주는 이점
그 효과는 슬러지의 종류와 초음파 조사량에 따라 달라집니다. 초음파 처리가 호기성 생분해성을 향상시킬 경우, 폐수 처리 시설에서는 다음과 같은 이점을 얻을 수 있습니다:
- 기존 소화 시간 내에서 휘발성 고형물 분해량 증대
- 더 짧은 체류 시간에서도 유사한 수준의 슬러지 안정화 효과
- 잔류 건조 고형물 생성량 감소
- 기존 호기성 소화조에서 확보된 추가 유효 용량
- 슬러지 운반 및 처분량 감소
- 고형분 부하가 높은 기간 동안 공정 안정성 향상
- 플록 형성 및 세포 파괴를 통한 필라멘트성 미생물의 제어력 향상
간편한 개조를 위한 인라인 Hielscher 초음파 처리기
실제 규모에서는 일반적으로 호기성 소화조의 전체 부피보다 농축된 슬러지 유량을 초음파 처리하는 것이 더 효율적입니다. Hielscher 초음파 유동 셀 반응기는 두 가지 실용적인 구성을 지원합니다.
WAS 급수 라인 전처리
초음파 시스템은 WAS 농축 공정 이후와 호기성 소화조 이전에 설치됩니다:
농축된 WAS → 급송 펌프 → Hielscher 초음파 유동 셀 → 호기성 소화조
이 방식은 정의된 고형분 질량 유량을 처리하며, 특정 초음파 에너지 입력을 제어하기 위한 명확한 근거를 제공합니다.
흐름도: 농축된 WAS → 공급 펌프 → Hielscher 산업용 인라인 초음파 처리기 UIP6000hdT → 호기성 소화조
소화조 재순환 또는 사이드스트림 처리
슬러지의 일정 비율을 소화조나 슬러지 배관에서 초음파 처리기를 거쳐 펌핑한 후 공정으로 되돌려 보냅니다. 이러한 구성은 기존 공급 배관을 개조하기 어렵거나, 슬러지 중 특정 비율만 처리해야 할 때 유용합니다.
두 구성 모두 펌프, 초음파 유량 셀, 차단 밸브, 유지보수용 바이패스, 압력 및 온도 측정 장치, 시료 채취 지점, 공정 제어 장치가 포함된 소형 스키드 형태로 설치할 수 있습니다. 기존 소화조는 변경되지 않습니다.
이러한 장점 덕분에 초음파 처리는 기존 폐수 처리 시설의 개보수에 특히 적합합니다. 초음파 스키드는 펌프 배관에 설치할 수 있으며, 독립적으로 가동될 수 있고, 점검이나 유지보수 시에는 바이패스할 수 있습니다.
고출력 초음파를 활용해 호기성 슬러지 분해 효율을 높이세요!
Hielscher 산업용 초음파 장치는 기존 WAS 처리 라인에 고출력 초음파를 통합할 수 있는 콤팩트하고 확장성이 뛰어난 솔루션을 제공합니다. 인라인 유동 셀 처리는 슬러지 유동에 초음파 에너지를 집중시키고, 재현성 있는 투여량 제어를 지원하며, 신뢰할 수 있는 연중무휴 24시간 고부하 가동을 위해 설계될 수 있습니다.
설계, 제조 및 컨설팅 – 독일에서 만든 품질
Hielscher 초음파는 최고의 품질과 디자인 표준으로 잘 알려져 있습니다. 견고 함과 쉬운 작동으로 초음파를 산업 시설에 원활하게 통합 할 수 있습니다. 거친 조건과 까다로운 환경은 Hielscher 초음파기로 쉽게 처리 할 수 있습니다.
Hielscher 초음파는 ISO 인증 회사이며 최첨단 기술과 사용자 친화성을 갖춘 고성능 초음파에 특히 중점을 둡니다. 물론, Hielscher 초음파는 CE를 준수하며 UL, CSA 및 RoHs의 요구 사항을 충족합니다.
Hielscher 초음파는 실험실, 파일럿 및 산업 규모에서 혼합 응용 분야, 분산, 유화 및 추출을위한 고성능 초음파 균질화기를 제조합니다.
자주 묻는 질문
초음파 처리를 하면 호기성 소화조에서 더 많은 바이오가스가 생성되나요?
아닙니다. 메탄 또는 바이오가스 생산량 증가는 혐기성 소화 과정에서 나타나는 이점입니다. 호기성 소화의 경우, 초음파 처리는 가산물(VS) 분해, 산소 소비량, 소화 시간, 잔류 건조 고형분, 탈수성 및 총 비용 등을 기준으로 평가해야 합니다.
초음파 시스템은 어디에 설치되어 있나요?
이 시스템은 일반적으로 WAS 농축 공정 이후와 호기성 소화조 이전에 인라인 방식으로 설치됩니다. 또한 제어된 사이드스트림 또는 소화조 재순환 루프에서도 작동할 수 있습니다. 유지보수 중에도 슬러지 이송이 계속될 수 있도록 서비스 바이패스가 마련되어 있습니다.
왜 20kHz 산업용 초음파 처리기를 사용해야 할까요?
저주파, 고출력 초음파는 강력한 캐비테이션과 기계적 전단력을 발생시킵니다. 이는 액체-고체 유동에서 슬러지 플록을 분해하고, EPS를 파괴하며, 미생물 세포를 개방하는 데 효과적입니다.
Hielscher 초음파 분산기는 연속적으로 작동할 수 있나요?
네. Hielscher의 산업용 hdT 초음파 처리기 제품군은 지속적인 고부하 가동을 위해 설계되었으며 내구성이 뛰어난 것으로 알려져 있습니다. 유동 셀 반응기를 통해 제어된 인라인 또는 재순환 공정이 가능하며, 자동 데이터 기록 기능은 공정 모니터링과 재현성을 지원합니다.
초음파 슬러지 시스템의 규모를 결정하려면 어떤 데이터가 필요한가요?
주요 입력 변수로는 WAS 유량, TS 및 VS 농도, 슬러지 점도, 목표 비에너지, 요구 처리 효과, 가동 시간 및 가용 압력이 있습니다. 본격적인 규모 설계에 앞서 적절한 투여량을 결정하기 위해 시범 시험을 실시할 것을 권장합니다.
초음파 처리가 슬러지 탈수를 향상시키나요?
결과는 슬러지의 특성과 투여량에 따라 달라집니다. 적정 수준의 처리는 고형물 처리 공정을 개선할 수 있는 반면, 과도한 분해는 미세 입자와 용해성 고분자를 생성하여 포집 효율이나 케이크 고형물 함량을 저하시킬 수 있습니다. 따라서 탈수 시험은 공정 최적화의 필수적인 부분입니다.
초음파 WAS 분해에 대해 과학적 연구 결과는 어떻게 말하고 있나요?
실험실 연구 결과에 따르면, 초음파를 활용하면 WAS의 접근성과 호기성 생분해성을 높일 수 있는 것으로 나타났습니다.
호기성 소화 전 알칼리 및 초음파 전처리를 병행한 연구에서, 동일한 소화 시간 동안의 유기물 분해율은 미처리 슬러지의 경우 38.0%, 초음파 전처리를 거친 슬러지의 경우 42.5%로 보고되었다. 알칼리 및 초음파 전처리를 병행한 경우 분해율은 50.7%로 증가했다. 이 결과는 초음파 단독으로도 호기성 분해 효율을 향상시킬 수 있음을 보여주는 한편, 달성 가능한 향상 정도는 전처리 전략과 슬러지 특성에 따라 달라진다는 점을 시사한다. (참조: Jin 등, 2009)
도시 하수 처리 슬러지(WAS)에 대한 또 다른 연구에 따르면, 초음파를 이용한 박테리아 분해 처리 후 슬러지의 용해도와 호기성 생분해성이 증가한 것으로 보고되었다. 전처리를 거친 슬러지는 처리되지 않은 대조군에 비해 더 높은 생분해율 또는 분해율을 보였다. (참조: Kavitha 외, 2016)
초음파 처리가 다른 슬러지 처리 공정을 보조하는가?
네. 초음파 처리는 플록, EPS 및 미생물 세포를 분해함으로써 여러 슬러지 처리 공정을 지원합니다:
혐기성 소화/바이오가스 생산: 가수분해를 촉진하고, 용해성 COD를 증가시키며, 가용성 유기물(VS)의 분해와 메탄 생산량을 향상시킬 수 있다.
인 회수: 세포에 결합된 인과 유기 인을 액상 단계로 방출하여, 이후 스트루바이트나 비비아나이트의 침전에 필요한 인의 이용률을 높여줍니다. 또한 초음파는 슬러지 재로부터의 인 침출을 촉진할 수도 있습니다.
문헌 / 참고문헌
- Jin Y., Li H., Mahar R.B., Wang Z., Nie Y. (2009): Combined alkaline and ultrasonic pretreatment of sludge before aerobic digestion. Journal of Environmental Science 2009;21(3):279-284.
- Kavitha S., Jessin Brindha G.M., Sally Gloriana A., Rajashankar K., Yeom I.T., Rajesh Banu J. (2016): Enhancement of aerobic biodegradability potential of municipal waste activated sludge by ultrasonic aided bacterial disintegration. Bioresource Technology 2016 Jan;200:161-169.
- C. M. Braguglia, G. Mininni, A. Gianico (2008): Is sonication effective to improve biogas production and solids reduction in excess sludge digestion? Water Science Technology 1 March 2008; 57 (4): 479–483.
