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수리동력학적 및 초음파 캐비테이션 슬러지 전처리 장치의 비교 연구
Comparisons of Sludge Pre-Treatment Systems : Hydrodynamic vs Ultrasonic Cavitation

맹장우    (인하대학교 사회기반시스템공학부   ); 배재호    (인하대학교 사회기반시스템공학부  );
  • 초록

    슬러지 전처리 방법으로 상용화되어 있는 cavitation을 이용한 방법은 서로 다른 원리, 초음파발생기(sonotrode)와 수리동 역학을 이용하고 있지만 이들 방법의 효율을 비교한 연구는 없었다. 본 연구에서는 이 두 전처리 방법에서 슬러지 가용화 효율, 전처리 후 입경변화, 전처리 전후의 메탄 생성량 변화를 평가하였다. 두 방법에 있어서 단위 에너지 투입량 당 가용화 효율은 유사하였으며, 최대 가용화 효율은 0.18 kWh/L에서 302 mg ${\Delta}SCOD/g$ TS이었다. 전처리 초기에는 슬러지의 floc 해체가 주로 일어났고, 전처리가 진행됨에 따라 1 ${\mu}m$ 이하의 입자가 증가하여 셀이 파괴되는 것을 확인할 수 있었다. BMP 시험 결과 슬러지의 메탄가스 발생량은 전처리 방법별 차이는 없이 최대 24.3%까지 증가하였으나, 투입 에너지에 비례하여 증가하지는 않았다. 비록 두 방법의 에너지 효율을 유사하지만 운영 및 유지비와 향후 에너지효율 개선 잠재력 면에서 볼 때 수리동력학적 원리를 이용하는 방법이 현장 적용에 유리하다고 판단된다.


    Sludge pre-treatment utilizing cavitation is one of the commercialized methods at present. Cavitation can be generated by two different methods, sonotrode and hydrodynamic principle, and there has been no direct comparison between the two methods. In this study, solubilization efficiency, changes in sludge size distribution, and the methane production potential after pre-treatment by the two methods were compared. The maximum solubilization efficiency per unit energy input with the two methods was similar, and was 302 mg ${\Delta}SCOD/g$ TS at the energy input of 0.18 kWh/L. Break-up of sludge flocs were dominant during the early period of pre-treatment, while cell disintegration continued through the pre-treatment with the increase in the number of particles with less than 1 ${\mu}m$ . BMP test results indicated that the methane potential increased up to 24.3% without differences between the two pre-treatments, and the increase in methane potential did not proportional to energy input. Although the energy efficiency of the two methods was quite similar, hydrodynamic methods might be a better choice for field application considering the operation and maintenance cost, and its potential improvement in energy efficiency.


  • 주제어

    슬러지 전처리 .   공동화 .   수리동역학 .   초음파 .   메탄 .   가용화.  

  • 참고문헌 (15)

    1. Chu, C. P., Chang, B. V., Liao, G. S., Jean, D. S., and Lee, D. J., "Observations on change in ultrasonically treated waste-activated sludge," Water Res., 35, 1038-1046(2001) 
    2. Owen, W. F., Stuckey, D. C., Healy Jr., J. B., Young, L. Y., and McCarty, P. L., "Bioassay for monitoring biochemical methane potential and anaerobic toxicity," Water Res., 13, 485-492(1979) 
    3. Torres, M. Lopez and Llorens, Ma. del C. Espinosa, "Effect of alkaline pretreatment on anaerobic digestion of solid wastes," Waste Management, 28, 2229-2234(2008) 
    4. Tiehm, A., Nickel, K., and Neis, U., "The use of ultrasound to accelerate the anaerobic digestion of sewage sludge," Water Sci. Technol., 36(11), 121-128(1997) 
    5. 맹장우., "수리동력학적 캐비테이션전처리에 의한 하수슬러지의 혐기성 소화효율 향상," 석사학위논문, 인하대학교(2009) 
    6. Sawayama, S., Inoue, S., Yagishita, T., Ogi, T., and Yokoyama, S. Y., "Thermochemical liquidization and anaerobic treatment of dewatered sewage sludge," J. Ferment. Bioeng., 79(3), 300-302(1995) 
    7. APHA, “Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater,” 20th ed. American Public Health Association, Washington D.C.(1998) 
    8. M$\"{u}$ller, J., "Pretreatment processes for the recycling and reuse of sewage sludge," Water Sci. Technol., 42(9), 167-174(2000) 
    9. McCue, T., Shah, R., Vassiliev, I., Liu, Y. H., Eremektar, F. G., Chen, Y., and Randall, A. A., "Evaluation of influent prefermentation as a unit process upon biological nutrient removal," Water Sci. Technol., 47(11), 9-15(2003) 
    10. Gogate, P. R., Pandit, A. B., "A review and assessment of hydrodynamic cavitation as a technology for the future," Ultrasonics Sonochemistry, 12(1-2), 21-27(2005) 
    11. Moser-Engeler, R., Udert, K. M., Wild, D., and Siegrist, H., "Products from primary sludge fermentation and their suitability for nutrient removal," Water Sci. Technol., 38(1), 265-273(1998) 
    12. 고현웅, 정병길, 정연화, 김형석, 장성호, 성낙창, "회분식 초음파 전처리를 이용한 하수슬러지의 분해에 관한 연구," 유기성폐자원학회지, 12(4), 121-129(2005) 
    13. Lehne, G., Muller, A., and Schwedes, J., "Mechanical disintegration of sewage sludge," Water Sci. Technol., 43(1), 19-26(2001) 
    14. Mao, T. and Show, K.-Y., "Preformance of high-rate sludge digesters fed with sonicated sludge," Water Sci. Technol., 54(9), 27-33(2006) 
    15. Kampas, P., "Sidestream treatment for improved BNR performances," Ph. D. Thesis, Cranfield University(2006) 
  • 이 논문을 인용한 문헌 (4)

    1. Lee, Jonghak ; Jeong, Tae-Young ; Roh, Hyun-Seog ; Kim, Dongjin 2010. "Characteristics of Anaerobic Methane Production by Ultrasonic Treatment of Excess Sludge" 水質保全 = Journal of Korean Society on Water Quality, 26(5): 810~815     
    2. Maeng, Jang-Woo ; Lee, Eun-Young ; Bae, Jae-Ho 2010. "Pre-Treatment of Sewage Sludge by Hydrodynamic Cavitation-II: Enhancement of Digestion Efficiency" 대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, 32(3): 264~270     
    3. Maeng, Jang-Woo ; Lee, Eun-Young ; Bae, Jae-Ho 2010. "Sludge Pre-Treatment by Hydrodynamic Cavitation-I: Optimization of Pre-Treatment System" 대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, 32(12): 1119~1125     
    4. Lee, Dong-Woo ; Bae, Kang-Hyeong ; Cho, Kun-Sang ; Kim, Sung-Hong 2014. "Reduction of sludge production and recycled nutrients loading by high-rate aerobic digestion(CaviTec II) with inorganic sludge separation and sludge solubilization" 上下水道學會誌 = Journal of Korean Society of Water and Wastewater, 28(4): 411~417     

 저자의 다른 논문

  • 맹장우 (2)

    1. 2010 "수리동력학적 캐비테이션을 이용한 하수 슬러지의 전처리-II: 소화효율 향상" 대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers 32 (3): 264~270    
    2. 2010 "수리동력학적 캐비테이션을 이용한 하수 슬러지의 전처리-I: 전처리 시스템의 최적화" 대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers 32 (12): 1119~1125    
  • 배재호 (18)

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