슬러지의 물리적 특징 소개

하수 슬러지는 처분하거나 사용하기 전에 그 목적에 맞게 처리해야 한다. 여러 가지 처리공정을 적절하고 효율적으로 수행하기 위해서는 그 특성을 파악하여야 한다. 슬러지 특성은 여러가지 인자와 측정값을 고려하여야 한다. 물리적 처리의 주목적은 고형물의 농도를 증가시키고 슬러지의 체적을 감소시키기 위해 물을 제거하는 것이다.

침강 특성

슬러지체적지수는 활성슬러지의 침강성능을 평가하는 전형적인 인자이다. 고농도의 슬러지는 침강실험용 메스실린더에서 플록을 형성하기 어렵기 때문에 실험을 하기 전에 희석하는 것이 필요하다. 실험실에서 수행한 침강실험 결과는 미생물 슬러지의 농축특성을 나타내기는 적절하지 않다. 그 이유는 가교현상과 가벽효과인 것으로 알려져 있다. 교반속도를 낮추면 침전이 잘 일어날 수 있다.

개량과 탈수

슬러지를 처분할 때와 다음단계의 처리공정을 위해서는 슬러지의 체적과 양을 줄여야 하는데 가장 적절한 방법은 탈수이다. 탈수 결과는슬러지 케익의 총 고형물 농도와 개량제의 양으로 표현된다. 또 슬러지 탈수능력을 평가하는 다른 인자는 모세관 흡인시간과 입자크기 분포이다.

1. 밀도와 입자의 크기

입자의 크기와 밀도는 원심분리에 영향을 주고 침강 거동에 있어서도 매우 중요하다. 콜로이드 입자와 같이 작은 크기의 입자는 슬러지에 다량 존재하기 때문에 탈수하기가 더욱 어렵다. 입자의 크기는 기기에 의해 측정할 수 있다. 측정방법은 크게 3가지를 들 수 있다. 직접측정, fractionation, 그리고 counting이다. 그러나 이러한 방법들은 슬러지 원래의 분포를 변하게 할 수 있다는 논쟁을 야기할 수 있으므로 입자의 크기를 하수의 슬러지 탈수능과 크게 연관시키는 데 어려움이 따른다. 하지만 입자 크기를 측정함으로써 탈수능의 변화와 하수처리장의 침강특성을 파악하는데 사용할 수 있다.

2. 물의 분포

하수슬러지 현탁액에는 슬러지 입자와 결합되어 있는 물을 다음과 같이 4가지의 물리적 형태로 분류할 수 있다.

자유수 : 입자에 구속되어 있지 않다.

간극수 : 슬러지 플럭 사이에 모세관 현상에 의해 구속되어 있다.

표면수 : 점착력에 의해 구속되어 있다.

세포수 : 미생물세포 자체에 포함되어 있다.

자유수는 하수 슬러지 중 가장 많은 부분을 차지하며 슬러지 입자 사이에서 자유롭게 이동한다. 슬러지 입자에 의해 흡착되지 않고 구속되지도 않아 모세관작용에 영향을 받지 않는다. 자유수는 중력과 원심력, 여과 등과 같이 기계적 방법으로 쉽게 분리할 수 있다. 간극수는 슬러지 플럭 내에서 슬러지 입자와 미생물 사이에 존재하는 물을 의미하며 물리적으로 모관력에 의해 구속된다. 표면수는 슬러지 입자의 전체 표면에 있는 여러 층의 물 분자를 말하며 흡착력과 점착력에 의해 구속된다. 표면수는 입자에 구속되어 있으며 자유롭게 이동할 수 없다. 또한 exopolymer 내에 화학적으로 구속된 물도 표면수의 한 종류로 생각할 수 있다. 세포수는 세포 내에 있는 물로 표면수와 함께 구속 함수율로 포함되며 열 공정에 의해서 제거될 수 있다.

3. 개량제 요구량

슬러지 개량은 탈수를 용이하게 해주며 고형물 수집을 용이하게 한다. 개량제는 무기성 화학약품과 유기성 고분자를 주로 이용한다. 양이온 고분자를 첨가하면 표면수가 방출되는 것을 가속화하기 때문에 개량하는 동안 슬러지는 응집한다. 개량제 요구량은 실험에 의해 결정할 수 있다. 정저닉 반발력이 슬러지 입자에 영향을 주지 않을 때와 제타포텐셜 값이 0에 근접할 때 최적의 고분자 투여량이 결정된다. 이 최적의 투여량을 polymer demand라고 한다. 고분자 투여량이 높을 경우에는 슬러지 응결이 과도하게 발생될 수 있으며 탈수능이 감소한다. 슬러지 내 물의 streaming potential을 측정하는 것도 개량제의 양을 결정하는 데 사용할 수 있다. 이 방법은 석회석, 염화철과 같은 무기화학약품에도 적용할 수 있다. 그러나 무기성 개량제는 슬러지의 양을 증가시키므로 주의해야 한다.

유동과 점성

슬러지의 유동학적인 특성은 슬러지를 관리할 때 슬러지의 거동을 평가하고 예측하는 데 매우 중요한 도구이다. 점성을 측정하는 것은 전단응력과 전단율 사이의 관계를 규명하기 위해 슬러지를 테스트하는 것이다. 처리수와 하수를 포함한 물에서의 유동학적 거동은 뉴톤영역에 해당한다. 따라서 전단응력은 전단율에 비례하는데 이 때 비례인자를 점성계수라 한다. 그러나 하수슬러지는 비뉴톤영역이기 때문에 전단율 또는 속도구배는 전단응력에 비례하지 않는다. 따라서 슬러지의 점성은 온도, 입자크기분포와 expolymer 양과 고형물농도에 영향을 받는다. 유동학적 특성은 고분자 투여량을 결정하는데 필요하다. Campell과 Crescuolo는 슬러지 현탁액의 점도는 측정하지 않았지만 고분자 투여량에 따른 응결된 슬러지의 점도 변화를 측정하였다. 응결된 슬러지의 점도는 고분자 투여량을 결정하는데 사용할 수 있다는 것을 말한다.

발열량

슬러지의 발열량은 수분과 원소성분과 관련이 있다. 슬러지의 연소 원소성분은 탄소, 수소와 황이다. 발열량을 산정하는 데 있어 황은 종종 생략되기도 한다. 슬러지에 그리스나 스컴과 같은 가연성분이 많이 함유되었을 경우 발열량은 높아지지만 grit이나 화학침전물이 다량 함유된 슬러지는 발열량이 상대적으로 낮아진다. 순수한 휘발성 고형물의 평균 발혈량은 대략 23으로 나타났다.