슬러지 열처리 공정(심층 습식산화 공정, 가스화)

슬러지 열처리 공정 중 혁신적 공법 중 하나인 심층 습식산화 공법 및 초기단계 공법 중 하나인 가스화에 대해 소개한다.

심층 습식산화 공정

습식산화공정은 1984년과 1985년에 미국의 Longmont에서 작은 현장규모 시설로 최초 운영되었다. 이 기술은 산화제로서 공기 또는 산소를 사용하여 하수슬러지 내 유기물의 액화를 토대로 한다. 산화는 150 Mpa의 압력에서 최소 260도에서 이루어진다. 이 기술의 독특한 특징은 1500m 깊이의 샤프트에서 반응조를 운영함으로써 요구하는 압력에 도달하게 하는 것이다. 5% TS를 함유한 액체 슬러지는 산소와 혼합되고 반응조의 가장 바닥지점인 1500m까지 도달하는 튜브를 통하여 아래로 보내져 260도 온도와 150 Mpa의 압력에 도달하게 된다. 이것은 다시 튜브를 통하여 위로 진행되면 위의 시설로 이동되고 가스, 액체, 고체 부분으로 분류되게 된다. 가스는 거의 이산화탄소와 일산화탄소이며 일산화탄소의 산화 후 대기로 방출된다. 액체는 슬러지 내에 약 30%의 최초에 존재했던 유기물과 충분한 질소량을 함유한다. 이 액체는 WWTP의 전방 또는 전처리/폐기시설로 환류된다. 잔류고형물은 슬러지 내에 본래 포함되었던 탄산염, 규산염, 인산염과 중금속을 포함한 비활성 물질들이다. 중금속은 반응조에서 산화되었기 때문에 용해가 불가능하다. 에너지는 시스템에서 뜨거운 물로서 회수될 수 있다.

습식산화공정은 1992년 Holland의 Apeldoorn에서 Vertech Treatment Systems에 의해 최초로 상업화되었다. 이 시설은 하수슬러지 62톤 처리 요량을 가지고 있었다. 최초의 반응조 막힘 현상이 극복된 후 1994년 지속적 운영을 재개하였다. 내부 오염물질의 산세척을 위해 설비가 1주일간 중지되었다고 보고되었고 재가동되고 있는지 여부는 알려지지 않았다.

가스화

탄화물질의 가스화는 수백 년 동안 진행되어 왔다. 그러나 파일롯 규모에서 하수슬러지 가스화는 최근에 이루어지기 시작하였다. 1980년대 초 영국 Thanes Water가 VENTEC공정을 이용하여 슬러지 가스화를 연구하였으나 현장규모로 진행되지는 않았다. Lurgi는 영국의 Bran Sands WWTP에서 현장규모의 슬러지 가스화 시설을 운영한 것으로 보고되었다. 그러나 Northumvrian Water는 가스화에 관련된 비용의 과다로 인해 그 설비를 상용화하지는 못하였다.

가스화는 본래 저공기연소의 변형으로써 최소 900도의 온도에서 진행된다. 탄소를 이산화탄소를 연소시키기 위하여 슬러지에 화학 양론적으로 산소나 공기를 불어 놓는다. 고형탄소는 일산화탄소를 생성한다. 물-전이 반응에서 물과 탄소로부터 수소를 발생시킨다. 몇몇의 가스화 시스템은 물-전이 반응을 위하여 물 공급원으로 수증기를 가해준다. 하수슬러지의 가스화 시 발생하는 주요 가스는 일산화탄소, 수소, 질소, 이산화탄소, 메탄, 황화수소 등이다.. 하수슬러지를 표준 가스화 공정으로 처리하면 휘발성물질을 함유한 고형잔류물이 생성된다. 그러나 이것은 1000도에서 30분간 수증기와 타르의 비율을 10:1로 하여 가스화하면 비활성 잔류물이 제거됨으로써 상당량을 제거할 수 있다. 표준가스화 시스템에서 중금속의 거동은 아직 명확하게 밝혀지지 않았다.

독일에서는 압력을 강화하여 향상한 유체 기화 공정이 파일롯 규모에서 진행되었다. 0.5t의 건조된 고형물을 생산할 수 있는 이 설비는 2년 동안 운영되었다. 가스화는 고온, 고압에서 산화제로서 순산소를 사용한다. 시스템의 효율은 기화기로 들어가는 건조슬러지입자에 달려있다. 고온에서 소각재는 기화기 가장 아래에 쌓이는 용융된 슬래그를 형성하여 결국 아주 작은 슬래그 입자가 발생한다. 생성된 가스는 시안, 암모니아, 황화수소 등의 제거를 통해 양질의 합성가스를 생산한다. 용화 된 슬래그는 완전히 비활성화되며 콘크리트 혼합물의 한 성분으로 사용된다. 공정의 철저한 모니터링을 통해 중금속과 염화유기물질이 완전히 제어될 수 있음을 밝혔다. 공정의 배출물은 TA Luft 17 BLmSch standards보다 원활하지 못했다.

각 공정의 장단점

심층 습식산화 공정은 설비를 위해 작은 공간을 필요로 하고 폐기할 물질이 최소화된다. 또한 중금속이 제어되며 비교적 간단한 운전방식을 갖는다. 그러나 반응조 세정을 위한 운전 중단 및 완벽한 처리를 위해 많은 양의 폐수가 발생한다는 단점이 있다.

가스화 공정은 폐기할 물질이 최소화되고 중금속이 완전히 제어된다. 또한 염소유기화합물이 제거되고 에너지가 회수되고 온실 가스의 저감 효과가 있다. 그러나 현장규모에서의 자료가 부족하고 시스템이 복잡하며 비용정보가 부족하다는 단점을 갖고 있다.