자체발열 고온 호기성 소화의 원리

가용열

자체발열 호기성 소화공정의 필수적인 특성은 휘발성 고체의 생물학적 분해에 의해 생산되는 열에너지가 반응조의 온도를 호열성 조건으로 올리는 데 사용되는 점이다. 대부분의 생물학적 시스템에서와 같이 온도의 상승은 반응 속도를 증가시킨다. 공학적 관점에서 이는 특정 처리량(a particular throughput)을 처리하기 위해 요구되는 반응조의 크기를 줄여준다. 그러나 만약 온도가 너무 높게 올라가게 되면 생물학적 활동을 방해하게 되고 온도가 올라감에 따라 점차 사라지게 될 것이다. 필연적으로 온도가 45~60도 범위일 때까지는 속도가 매우 빨리 증가하고 상위 온도에서는 속도가 하강한다. 하강이 시작되는 정확한 온도는 알 수 없으나 기존 연구를 통해 65도 이상에서 속도가 급격히 떨어져 0에 다다르게 됨이 보인 바 있다.

휘발성 고체의 감소

휘발성 고체의 붕괴는 휘발성 고체의 형태에 따라 방출되는 양과 함께 에너지의 주요한 근원이다. 휘발성 고체의 붕괴에 따른 가용 에너지는 반응조 내에서 슬러지에 열을 가하는 데 사용된다. 따라서 어떤 호기성 생물학적 분해 과정의 운영을 고려했을 때 휘발성 고체의 감소는 다음을 나타낸다.

• 슬러지로부터의 잠재적 열 방출
• 특정 슬러지 또는 슬러지의 혼합물의 생물학적 분해능
• 공정의 효율성

자체발열 고온 호기성 소화공정 중에 일어나는 휘발성 고체 감소량은 슬러지의 출처에 따라 다르다. 최저 운영 온도나 고체물질의 체류 시간 등을 포함하여 각각의 시설의 세세한 운영 조건에 대하여 더 많은 것들을 알아야 한다. 일반적으로 1차 슬러지는 잉여 활성 슬러지와 같은 생물학적 슬러지보다 더 쉽게 분해되고 이는 감소된 휘발성 고체의 비율을 반영한다.

자동 온도 조절 운영을 위한 조건

자동 온도 조절 조건의 성패는 시스템으로부터 생성되는 열과 잃은 열의 조절에 달려있다. 자동 온도 조절 시설에 있어 주요한 이슈는 다음과 같다.

• 적절한 두께의 슬러지 : 얇은 두께의 슬러지는 종종 호열성 조건에서 추가적인 유입수의 온도를 올리기에 부족한 에너지 출력을 갖는다.
• 슬러지 내 적당한 수준의 생물학적 분해 가능한 휘발성 고체 : 높은 휘발성 고체 농도에서는 슬러지 내의 고체가 쉽게 분해되지 않고 열 방출 속도가 떨어진다.
• 낮은 열 손실 시스템 고안과 알맞게 차단된 반응조 : 예를 들어 고온 슬러지가 빠져나갈 때 열을 복원해 줄 수 있는 열 교환기를 포함한다.
• 효과적인 교반
• 효과적인 공기 주입 시스템

시스템의 특징

각각의 플랜트는 슬러지의 종류, 시스템의 설계, 안정화와 위생설비에 관한 운용능력에 의해 좌우된다. 시스템 운영의 관점에서 시스템은 보통 하나의 배치(Batch) 또는 세미 배치(Semi Batch)의 상태이다. 이 시스템들은 A급의 슬러지를 생산하기 위해서 오랫동안 반응조에서 알맞은 온도로 충분히 오랫동안 유지되어 왔다. 배치 시스템을 기본으로 한 시스템 운용은 유입수 흐름률의 여러 변수를 통제하기 위한 적절한 시간과 장소에 충분한 용량이 있다는 것을 확실히 하기 위해 적절한 조절 시스템을 필요로 한다. 몇몇 시스템은 균형조로 첫 번째 반응조를 사용함으로써 이러한 많은 문제들을 극복했다. 그 후의 반응조의 높이는 새로운 슬러지가 유입되어 오는 만큼의 수리학적인 배수량에 의해 조절된다. 대체로 배치 시스템에는 하루에 한 번 한 시간 정도 유입되고 있는 슬러지가 공급될 것인데 이것은 적어도 23시간 동안 시스템을 운용하는 온도에서 슬러지를 놓아둔다.

서로 다른 반응조의 온도는 원하는 시스템 운용 성과를 얻기 위해 변경될 수 있다. 예를 들어 US Filter 시스템은 다음과 같은 전형적인 온도에서 2개 또는 3개의 반응조를 사용한다.

반응조 1 : 35~45도

반응조 2 : 45~60도

반응조 3 : 55~70도

이 세 개의 반응조 시스템에서 약 1/3에서 1/2만큼의 슬러지는 매일매일 교체된다. 이것은 회복률이 약 1도인 첫 번째 반응조의 온도하강 결과이다. 다 단계의 과정을 가진 반응조를 사용하는 것은 온도 변동을 최소화시키는 것을 돕는다. 이것은 적절한 온도/시간의 노출이 Class A등급의 생고형물을 생산되는 것을 확신시켜 주기 위해 완수되는 경우에 필수적이라고 볼 수 있다.