슬러지 열처리 공정의 개요와 변환 공정

WERF(Water Environment Research Foundation)은 기타 열처리 공정으로 수많은 슬러지 관리 기술들을 분류하였다. 이러한 기술들은 공인된 공법, 혁신적 공법, 초기단계 공법을 분류된다. 혁신적 공법 중 하나인 변환 공정에 대해 소개한다. 슬러지의 변환은 특히 유럽에서 가장 널리 사용되는 공정 중 하나이다. 변환공정의 세 가지 원리는 다음과 같다.

• 건조 슬러지에서 오일로의 열-화학적 변환
• 습식 슬러지에서 오일로의 열-화학적 변환
• 변환 및 소각 공정

열-화학적 변환

열-화학적 변환(저온 변환) 공정은 프랑스인 Shilbata(1939)에 의하여 처음으로 소개되었지만 1970년 후반이 되어서야 독일과학자들이 기본적인 변환과정을 이해하게 되었다. 이러한 공정에서 가장 중요한 역할을 하는 열분해와 촉매 변환을 포함한 유기물질로부터 액화탄화수소가 생성되는 방법과 같이 자연을 모방하는 방식의 공정들이 보고되었고 이러한 공정이 열분해보다 대중화되었다. Bayer와 Kutubuddin은 하수슬러지 내의 알루미늄 규산염과 중금속이 슬러지에 포함된 지질과 단백질을 탄화수솔 변환하는 반응을 촉진시킨다는 것을 증명하였다. 이러한 변환은 정상기압, 무산소 상태에서 400~500도 내에서 발생한다.

1983년 캐나다에서 작은 규모의 연속반응조가 운영되었으며 이어서 1986년도에 파일롯 규모로 운영하여 하루에 1톤 분량을 생산하였다. 1988년 호주의 Perth와 Sydney에 두 번째 파일롯 규모의 시설이 건립되어 운영되었다. 이 시설을 통하여 현장 규모의 시설설비 개념을 발전시키게 되었다. 독일에서는 근본적으로 동일한 공정을 이용한 두 개의 현장 규모 설비가 분류된 코울타르 설비로부터 오일 정제 슬러지 및 슬러지를 추출하기 위하여 운영되고 있다.

열-화학적 액화

생슬러지로부터 직접적인 열-화학적 액화공정은 최초 1980년대 중반 미국의 북서부 Batelle 실험실에서 파일롯 규모로 실행되었다. 액화 공정의 효과를 위해 약 20% TS의 액체 슬러지에 약 300도, 10 Mpa 압력으로 90분 동안 열을 가하면 증유, 타르, 가스, 반응수가 생성된다. 이러한 기술은 STORS(Sludge to Oil Reaction System)로 특허권을 획득하여 일본과 미국의 열에너지사에 기술권이 판매되었다. 일본 연구자들은 4kg 생산규모의 파일롯 규모를 제작하였으며 생슬러지와 폐활성슬러지를 20% TS로 혼합하여 운용하였다. 미국 기술권은 약 130만 불에 제공되었으며 운용비용에 대한 데이터는 존재하지 않는다. 미국의 기술권은 1998년 캘리포니아 지역의 설비에 적용되었지만 효과적인 자료를 얻지는 못하였다.

Batelle-Northwest 연구실과 Organe 주식회사의 자료에 의하면 고압반응조로부터의 생성물은 디클로로메탄을 포함해 용제 추출로 분리해야 한다. 보통 오일은 총량 대비 10~20%, 타르는 5~30%가 생성된다. 상온에서 고형화 되는 오일과 함께 오일의 점도는 매우 높다. 가스는 반응수로 남아있는 잔류물을 포함하여 평균 14%가 이산화탄소이다. 폐수는 BOD가 매우 높아 약 3만 mg으로 보고되었다.

변환 및 소각 공정

유럽에서는 450도에서 가스를 액체연료로 생성하는 것보다 연소시키는 주요한 작업이 이루어졌다. 이 작업의 대부분은 적은 양의 하수슬러지를 포함하거나 또는 포함하지 않는 유기폐기물로 이루어졌다. 이 기술은 도시고형폐기물을 처리하는 Siemens AG사의 Firth 설비와 Thermoselect사의 Karlsruhe 설비에서 현장규모로 발전되었다.

독일의 Firth에 위치한 Siemens사의 열-폐기물 재활용 설비는 1994년에 설립되었으며 탈수된 하수슬러지를 포함하여 연간 유기폐기물 10만 톤을 처리할 수 있도록 설계되었다. 이 설비는 변환을 위한 주요 단위 공정으로서 고온 연소, 가스 정화와 전력 생산 시설로 이루어졌다. 도시고형폐기물은 먼저 잘게 부수어지고 무산소 상태의  450도에서 변환되기 전 탈수된 하수슬러지와 혼합되며 탄화고형유체와 가스를 생성한다. 고형물은 탄화물로부터 유리나 금속, 세라믹 등을 제거하기 위한 분류작업을 하며 가스에 혼입하고 1300도에서 연소되어 수증기와 거친 슬래그를 형성한다. 생성된 수증기는 지역난방을 위한 열원으로서 사용되거나 스팀터빈에서 전기로 전환된다. 연소가스는 대기로 방출되기 전 습식 스크루버, 정전기적 침전기, 섬유필터 등과 같은 복잡한 가스 세정 시스템으로 정화한다. 이 설비는 기술적 문제로 최근에 운영을 중단하였지만 일본에서는 또 다른 열-폐기물 재활용 설비가 운영되고 있다.