Sludge Dewatering: Methods, Technologies & Systems for Wastewater Treatment

탈수란 무엇이며 슬러지 관리에 중요한 이유

탈수는 고체-액체 혼합물에서 물을 기계적 또는 물리적으로 제거하여 부피를 줄이고 고형분 함량을 높이는 것입니다. 폐수 처리의 맥락에서 탈수는 특히 1차, 2차, 3차 처리 단계에서 생성된 반고체 부산물인 슬러지에서 물을 분리하여 폐기, 토지 적용 또는 추가 처리에 적합한 취급 가능하고 운반 가능한 케이크를 생성하는 과정을 의미합니다.

탈수에 대한 경제적이고 운영적인 사례는 간단합니다. 처리되지 않은 폐수 슬러지는 일반적으로 다음을 포함합니다. 무게 기준으로 95~99%가 수분 . 기계적 탈수를 통해 수분 함량을 97%에서 75%로 줄이면 슬러지 부피가 약 88% 줄어들고, 운반 비용, 매립 비용 및 하류 열처리 에너지 소비가 크게 절감됩니다. 하루 50,000m³를 처리하는 중형 도시 폐수 처리장의 경우 이러한 부피 감소로 슬러지 처리 비용만 연간 수십만 달러를 절약할 수 있습니다.

탈수는 부피 감소 외에도 처리를 위한 슬러지를 안정화시킵니다. 총 고형분(TS)이 20~25%인 잘 탈수된 케이크는 펌핑 없이 벨트나 나사로 운반할 수 있고, 임시 보관을 위해 쌓을 수 있으며, 특수 장비 없이 트럭에 적재할 수 있습니다.

슬러지 농축과 탈수: 차이점 이해

슬러지 농축 및 탈수는 완전한 슬러지 관리 트레인에서 순차적이지만 별개의 작업입니다. 두 가지를 혼동하면 장비 선택이 잘못되고 프로세스가 비효율적으로 진행됩니다.

농축 0.5~2% TS에서 약 3~8% TS까지 희석 슬러지를 농축하는 중력 또는 저전단 기계적 공정입니다. 이는 최종 탈수 단계가 아닙니다. 농축된 슬러지는 펌핑 및 유동성을 유지합니다. 주요 목적은 하류 소화조 또는 탈수 장비에 공급되는 양을 줄여 크기 및 운영 비용을 낮추는 것입니다. 일반적인 농축 기술에는 중력 농축기, 용존 공기 부양(DAF) 농축기, 회전 드럼 농축기 및 중력 벨트 농축기가 포함됩니다.

탈수 농축을 따르고 기계적 압력, 진공 또는 원심력을 사용하여 슬러지 고형물 함량을 3~8% TS 범위에서 최대 15~35% TS까지 밀어내어 반고체 케이크를 생성합니다. 이 고형분 함량에서 물질은 펌핑해야 하는 유체에서 기존 수단으로 운반, 적재 및 운반할 수 있는 고체로 전환됩니다.

결합된 슬러지 농축 및 탈수 순서는 현대 바이오 고형물 관리의 중추입니다. 농축을 건너뛰고 희석 슬러지를 탈수 장비에 직접 공급하면 케이크 건조도가 낮고 폴리머 소비량이 많아 기계가 대형화되고 과부하가 발생하게 됩니다.

슬러지 탈수 기술: 비교 개요

다양한 슬러지 탈수 기술이 상업적으로 사용되고 있습니다. 각각은 서로 다른 물리적 원리에 따라 작동하며 서로 다른 케이크 건조도, 폴리머 수요, 설치 공간 및 에너지 소비를 제공합니다. 선택은 슬러지 유형, 공장 규모, 최종 처리 경로, 자본 대 운영 비용 우선순위에 따라 달라집니다.

벨트 필터 프레스

벨트 필터 프레스(BFP)는 특히 도시 폐수 응용 분야에서 전 세계적으로 가장 널리 설치된 탈수 기술 중 하나입니다. 조절된 슬러지는 연속적으로 움직이는 두 개의 다공성 벨트 사이에 공급되며, 먼저 중력에 의해 배수된 다음 점진적으로 증가하는 압력으로 일련의 롤러를 통해 슬러지를 압축합니다. 케이크 고형분 함량은 일반적으로 다음과 같습니다. 18~25% TS 혼합 도시 슬러지용. BFP는 에너지 소비가 낮지만(건조 고형물 톤당 1~2kWh) 상당한 세척수(벨트 폭 미터당 시간당 3~10m3)가 필요하며 공급 슬러지 변동성에 민감합니다.

원심분리기

디캔터 원심분리기는 원심력(일반적으로 1,500~4,000 × g)을 사용하여 액체상에서 슬러지 고형물을 고속으로 분리합니다. 그들은 배달한다 20~30% TS 케이크 건조도 소화된 도시 슬러지에 적합하며 대량의 연속 작업에 매우 적합합니다. 원심분리기는 소형이고 완전 밀폐형(악취 제어에 중요)이며 대부분 자동화되어 있습니다. 그러나 에너지 소비량은 BFP보다 훨씬 높으며(일반적으로 건조 고형물 톤당 15~30kWh이며, 연마성 슬러지로 인한 마모로 인해 유지 관리 비용이 높아집니다.)

스크류 프레스

스크류 프레스는 원통형 스크린에 슬러지를 공급하고 점차적으로 감소하는 피치의 회전 스크류로 이를 전진시켜 케이크가 배출구에서 배출되는 동안 스크린을 통해 유리수를 짜냅니다. 현대식 멀티 디스크 스크류 프레스는 다음과 같은 장점으로 인해 빠르게 시장 점유율을 얻었습니다. 매우 낮은 에너지 소비 (2~5kWh/톤 DS), 최소한의 작업자 주의, 낮은 세척수 요구 사항 및 중소 규모 공장에 적합합니다. 케이크 건조도는 일반적으로 15~22% TS로 원심분리기보다 낮지만, 폐기 비용 절감이 약간 더 젖은 케이크를 정당화하는 응용 분야의 경우 운영 비용 이점이 매력적입니다.

필터 프레스(플레이트 및 프레임)

고압 플레이트 및 프레임 필터 프레스는 일반적으로 기계적 탈수 기술 중 가장 건조한 케이크를 제공합니다. 35~45% TS — 슬러지를 소각하거나 혼소하거나 매립 비용이 극도로 높은 곳에서 선호되는 선택입니다. 배치 작업, 큰 설치 공간 및 높은 자본 비용으로 인해 산업 슬러지, 석회 처리된 도시 슬러지 및 매우 높은 건조도가 요구되는 응용 분야에만 사용이 제한됩니다. 충전 후 유연한 다이어프램을 팽창시키는 멤브레인 필터 프레스는 일부 산업 슬러지 응용 분야에서 케이크 건조도를 50% TS 이상으로 높일 수 있습니다.

회전식 진공 필터

한때 하수 슬러지 탈수를 위한 주요 기술이었던 회전식 진공 필터는 상대적으로 낮은 건조도(12~18% TS), 높은 에너지 및 유지 관리 요구 사항, 개방형 설계로 인해 새로운 시설에서 벨트 프레스 및 원심 분리기로 대체되었습니다. 이 제품은 오래된 도시 공장과 부드럽고 연속적인 작동이 깨지기 쉬운 또는 섬유질 슬러지 유형에 적합한 일부 산업 응용 분야에서 계속 사용됩니다.

DAF 슬러지 탈수: 부유 장치 부산물 처리

DAF(용존 공기 부양) 장치는 미세한 기포를 입자에 부착하고 이를 탈지 부유물처럼 표면에 부유시켜 부유 고형물, 지방, 오일 및 그리스를 제거하기 위해 산업 및 도시 폐수 처리에 널리 사용됩니다. 생성된 DAF 슬러지는 침전된 1차 또는 2차 생물학적 슬러지와 크게 다른 독특한 탈수 문제를 제시합니다.

DAF 플로트는 일반적으로 탈수 단계에 도착합니다. 1~5% TS – 농축된 생물학적 슬러지와 비슷하지만 물리적 특성은 근본적으로 다릅니다. 식품 가공, 렌더링 또는 제지 공장에서 발생하는 DAF 슬러지는 압축성이 높고 젤라틴질이며 배수에 저항하는 지방과 단백질이 풍부한 경우가 많습니다. 활성 슬러지에 잘 작동하는 표준 폴리머 컨디셔닝은 DAF 플로트에서는 제대로 작동하지 않을 수 있습니다. 양이온 및 음이온 폴리머를 결합한 이중 폴리머 프로그램이나 폴리머 컨디셔닝 이전에 염화제2철 또는 황산알루미늄과 같은 응고제를 첨가하는 것이 종종 필요합니다.

DAF 슬러지 탈수의 경우 디캔터 원심분리기와 벨트 필터 프레스가 가장 일반적으로 적용되는 기술입니다. 원심분리기는 고지방 함량을 보다 안정적으로 처리합니다. 벨트 프레스 직물에 지방이 축적되는 것은 식품 산업 DAF 응용 분야에서 만성적인 작동 문제입니다. 스크류 프레스는 지질 함량이 낮은 도시 공장의 DAF 플로트에서도 좋은 결과를 보여주었습니다. 케이크 건조도 12~20% TS 식품산업 DAF 슬러지의 경우 일반적이며 고체의 압축성 및 친수성 특성으로 인해 생물학적 슬러지보다 훨씬 낮습니다.

DAF가 페인트 폐수 처리에 사용되는 산업 환경에서 생성되는 페인트 슬러지는 추가적인 문제를 야기합니다. 페인트 고형물(특히 수지와 안료가 포함된 수성 베이스코트에서 나온)은 끈적끈적한 접착성 케이크를 형성하여 필터 매체를 가리고 원심분리기 용기를 빠르게 오염시킬 수 있습니다. 전용 탈수 페인트 슬러지 시스템은 종종 용제 세척 주기에 적합한 합성 필터 천이 있는 필터 프레스 또는 단일 장치에서 기계적 탈수와 열 건조를 결합하여 비유해 고형 폐기물로 분류하기 위한 80-90% TS에 도달하는 목적에 맞게 설계된 슬러지 건조기를 사용합니다.

산업 응용 분야의 슬러리 탈수 시스템

도시 하수 처리 외에도 슬러리 탈수 시스템은 광범위한 산업 공정 운영의 핵심입니다. "슬러리"라는 용어는 일반적으로 폐수 슬러지보다 더 높고 균일한 고형물 농도(종종 중량 기준으로 10~40% 고형물)를 갖는 혼합물을 의미하며 생물학적 물질보다는 무기 입자(미네랄, 세라믹, 금속)가 포함될 수 있습니다.

주요 산업용 슬러리 탈수 응용 분야는 다음과 같습니다.

• 채광 및 광물 처리 - 농축기, 필터 프레스 또는 진공 벨트 필터를 사용한 광미 탈수; 물이 부족한 지역에서 재활용을 위해 공정수를 회수하는 것이 주요 동인입니다.
• 건설 및 터널링 — 터널링 작업에서 발생하는 벤토나이트 슬러리 및 드릴링 머드는 회수된 물을 배출하거나 재사용하기 전에 이동식 필터 프레스 또는 원심분리기 시스템을 사용하여 작업 현장에서 신속한 탈수가 필요합니다.
• 세라믹 및 유리 제조 — 습식 분쇄 및 연마 작업에서 발생하는 미세 입자 슬러리는 진공 디스크 필터 또는 압력 필터로 탈수되어 귀중한 물질을 회수하고 폐수 배출량을 줄입니다.
• 발전 — 석탄 연소로 인한 비산회 및 바닥재 슬러리는 환경 규정에 따라 요구되는 건식 또는 반건식 재 처리 시스템의 일부로 진공 벨트 필터 또는 필터 프레스를 사용하여 탈수됩니다.
• 식품 및 음료 가공 — 과일 찌꺼기, 곡물 찌꺼기 및 전분 슬러리는 건조 또는 동물 사료 처리 전에 탈수되며, 스크류 프레스 및 디캔터 원심 분리기가 주요 장비 선택입니다.

산업용 슬러리 탈수 시스템 설계에서는 마모성(원심분리기 및 펌프의 내마모성 재료를 나타냄), 입자 크기 분포(5μm 미만의 미세 입자는 배수에 저항하고 여과 보조제가 필요할 수 있음), 슬러리와 탈수 장비의 젖은 표면 간의 화학적 호환성을 고려해야 합니다.

폴리머 컨디셔닝: 탈수 성능을 제어하는 변수

거의 모든 슬러지 탈수 방법에서 폴리머 컨디셔닝은 기계적 탈수 장비가 설계 범위 내에서 작동하는지 아니면 허용 가능한 케이크 건조도를 생성하는 데 어려움을 겪는지 여부를 결정하는 업스트림 단계입니다. 올바른 컨디셔닝을 얻는 것이 장비 선택보다 더 큰 영향을 미치는 경우가 많습니다.

고분자 전해질(가장 일반적으로 양이온성 폴리아크릴아미드)은 슬러지 입자의 음전하를 중화시키고 입자를 더 큰 물 방출 플록으로 연결하는 방식으로 작동합니다. 최적화할 주요 매개변수 슬러지 탈수 시스템 다음과 같습니다:

• 폴리머 복용량 — 일반적으로 도시 2차 슬러지의 건조 고형물 1톤당 활성 폴리머 3~10kg; 과다 투여는 화학물질 비용을 낭비하고 역전하를 발생시켜 성능을 저하시킬 수 있습니다.
• 희석 및 메이크다운 — 에멀젼 폴리머는 주입하기 전에 0.1~0.5% 용액으로 희석해야 합니다. 부적절한 희석으로 인해 슬러지를 컨디셔닝하지 않고 탈수 단계를 통과하는 비활성화된 폴리머가 생성됩니다.
• 에너지와 접촉 시간의 혼합 - 슬러지 전체에 폴리머를 분산시키기 위해서는 충분한 전단력이 필요하지만, 플록 형성 후 과도한 전단력은 플록을 파괴하고 되돌릴 수 없습니다. 인라인 정적 믹서 또는 저전단 동적 믹서가 고속 임펠러보다 선호됩니다.
• Sludge variability — changes in feed sludge composition (e.g., after a storm event that dilutes primary sludge, or after changes in biological treatment) alter optimal polymer type and dose; automated polymer dosing systems with turbidity or capillary suction time (CST) feedback control significantly improve consistency

For sewage sludge dewatering at municipal plants, polymer costs typically represent 30–50% of total dewatering operating cost. A 10% reduction in specific polymer consumption through better conditioning optimization is frequently achievable and delivers meaningful budget savings without capital investment.