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2017년 11월 24일 (금)
     
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공공하수처리시설의 슬러지 소화가스 탈황설비에 관한 고찰

A Review of Sludge Digestion Gas Desulfurization System at Sewage Treatment Plant

 

 

1. 서론

 2005년 환경부에서 발간한 ‘소화조 운영실태 정밀진단 결과  보고’에 의하면 국내에 소화조가 설치된 공공하수처리시설이 총 68개소이며, 이중 58개소에서 가동되고 있는 것으로 조사 되었다. 소화방법으로 분류할 경우 단단 16개소, 2단 44개소, 난형 7개소, BIMA 1개소, 호기성 1개소로 나뉘며, 이중  64%인 37개소가 직접가온방식(증기주입식)으로, 나머지 21개소(36%)가 간접가온방식(열교환방식)으로 운영되고 있는 것으로 확인되었다.
소화조는 생물학적 하수처리 과정에서 발생하는 슬러지 처리공정 중의 하나이며, 일반적으로 규모가 비교적 큰 공공하수처리시설에서 많이 적용되고 있다. 주로 혐기성 소화과정을 거쳐 메탄(CH4) 가스를 회수하고 감량화시킨 후 최종처분하는 공정으로 운영되고 있다.
소화조에서 발생하는 소화가스는 소화조 가온, 발전 등을 위한 연료자원으로 사용하고 있으며, 그 구성 성분은 메탄(CH4)이 60~65%정도를 이루고 이산화탄소 (CO2)가 30~35%이며 미량 가스로는 황화수소(H2S)가 포함되어 있다. 소화가스 중에 포함되어 있는 황화수소(H2S) 성분은 그 유독성이 매우 심하고 금속과 반응하여 설비를 부식시키고 연소 후에는 SO2로 산화하여 산성비의 원인 물질로 배출되어 대기 환경을 오염시키는 역할을 하고 있어 그 제거가 필수적이다.

 

2. 본론

 

2.1. 소화가스 탈황공정의 개요
 

 소화가스 중에 포함된 H2S를 제거시키는 공정으로는 산화철(Fe2O3) 계통의 흡착제를 이용한 건식 탈황과 알칼리 약품을 이용한 습식 탈황으로 구분할 수 있다.

 

2.1.1. 탈황제를 이용한 건식 탈황


  건식탈황 공정은 소화가스를 산화철(Fe2O3), 활성탄 등과 같은 고체 흡착제를 충진한 탈황탑에 소화가스를 통과시켜 황화수소(H2S)를 흡착 산화시키는 공정으로 탈황탑에 충진되어 있는 탈황제를 주기적으로 교체하여 탈황을 실시하고 있다.
  건식 탈황은 설비의 구조가 간단하여 별다른 유지관리가 필요 없다는 장점을 가지고 있는 반면, 소화가스 중에 포함된 수분이 응축하여 탈황제에 부착되어 압력손실을 증가시켜, 소화가스의 유출입이 원활하지 못하고, 고농도의 유화수소(H2S)가 유입되는 경우 탈황 효율을 급격히 저하시켜 빈번한 교체를 실시해야 한다. 또한 사용기간이 종료되어 교체되는 탈황제는 폐기물로 배출되어 매립하고 있다.
  현재 국내 대부분의 공공하수처리시설에서는 건식 탈황 위주로 설치하고 있다.

 

< 건식 탈황 반응 >

Fe2O3․3H2O + 3H2S

건식 탈황 반응

Fe2S3 + 6H2O

Fe2O3․3H2O + 3H2S

또는

2FeS + S +6H2O

 

 

2.1.2. 습식탈황


  황화수소(H2S)의 농도가 높고 양이 많이 포함되어 있는 정유, 석유화학공정에서는 일찍부터 알칼리 약품을 이용한 습식 탈황 공정을 사용하고 있다. 습식 탈황의 원리는 황화수소(H2S)가 다량 포함되어 있는 가스를 알칼리 약품으로 세정하여 황화수소(H2S) 성분이 알칼리 약품과 반응하여 제거시키는 공정이다.

 

< 습식 탈황 반응 >

H2S + 2NaOH  →  Na2S + H2O


습식탈황의 공정은 건식 탈황의 공정에 비해 여러 가지 장점을 가지고 있다. 고농도의 황화수소(H2S)가 유입되어도 적절하게 처리가 가능하고 높은 제거효율을 가진다. 반면, 황화수소(H2S)가 반응하여 발생된 염이 고형물로 석출되어 세정탑 내부에 침적되므로 흡수탑의 선정에 많은 주의가 필요하다. 또한 발생된 폐액은 pH가 8.0~9.5 정도를 유지하며 1일 최대 폐수량이 20m3가 초과할 경우 별도의 폐수처리시설을 가동하여야 하는 불편함이 있다.

 

 


2.2. 공공하수처리시설에서의 운영사례


  공공환경기초시설(공공하수처리시설, 폐수종말처리시설, 분뇨처리시설, 가축분뇨처리시설 등)는 환경기술개발 및 지원에 관한 법률, 하수도법 등의 환경 관련법에 의거하여 주기적으로 기술진단을 받도록 되어 있다.
  한국환경공단(이사장 박승환)에서는 1995년부터 환경기초시설의 운영 효율화를 위해 기술진단업무를 수행하고 있으며, 현장 밀착경영 차원에서 2009년부터 영남지역본부(본부장 이종득) 자체적으로 기술진단업무를 진행하고 있다. 2010년 기준으로 47개소의 환경기초시설의 기술진단을 실시하였으며, 낙동강 유역의 물환경 보전을 위해 노력하고 있다.
한국환경공단 영남지역본부에서 수행한 기술진단 사례 중 소화조 및 탈황설비가 설치되어 운영 중인 N 처리시설과 B 처리시설에 있어서 건식 탈황설비의 운영사례를 소개하고자 한다.

 

2.2.1. N 처리시설

  N 처리시설에는 혐기성 2단 중온소화조 3지가 가동되고 있으며 21,000m3 용량으로 설치되어 있다. 가온방식은 수증기를 이용한 직접가온 방식이며 370m3/hr 용량의 건식 탈황설비 2대가 가동 중에 있다.
  소화가스 분석기를 활용한 현장 측정 결과 유입 황화수소 2,575mg/L, 유출 황화수소 2,570mg/L로 탈황제가 포화상태에 달한 것으로 조사되었으며 이로 인하여 탈황설비가 제기능을 하지 못하는 것으로 확인되었다.


< 탈황 전후의 황화수소 농도 비교 (N 처리시설) >


 


2.2.2. B처리시설


B처리시설에는 혐기성 2단 중온소화조 4지가 가동되고 있으며 21,715m3 용량으로 설치되어 있다. 가온방식은 직접가온 방식이며 건식 탈황설비 4대가 가동 중에 있다.
소화가스 분석기를 활용한 현장 측정 결과 유입 황화수소 282mg/L, 유출 황화수소 9mg/L로 탈황 효율이 96.6%로 황화수소를 거의 완벽히 제거하는 것으로 조사되었다. 유입 황화수소가 낮은 이유로는 소화조에 소화슬러지 유입시 염화제이철(FeCl3)를 동시에 주입함으로써 소화조에서의 황화수소 발생을 원천적으로 차단했기 때문인 것으로 확인되었다.


< 탈황 전후의 황화수소 농도 비교(B 처리시설) >

 

 

 

 

3. 결론

 

  건식 탈황설비는 설비구조가 간단하고 유지관리가 편리하여 국내 공공하수처리시설에 많이 적용되어 있으나, 소화조 운영조건에 따라 처리해야 할 황화수소 농도 높을 경우 파과점(Breakthrough Point) 도달시간이 짧아질 수 있으며, 파과점 이후 탈황탑에 충진된 탈황제가 포화될 경우 탈황기능을 전혀 기대할 수 없으므로 탈황탑의 황화수소 유출농도를 주기적으로 모니터링하여 유출가스의 파과점 발생시 건식 탈황탑에 충진된 탈황제를 적기에 교체해야 한다.
  반면 습식 탈황설비는 제거효율이 높고 부하율 변동에 적극적으로 대처할 수 있는 장점이 있으나 부산물로 발생되는 흡수폐액 배출량이 1일 20m3을 초과할 경우 ‘수질 및 수생태계 보전에 관한 법률 시행규칙 제6조 및 별표6’에 의거하여 폐수배출시설을 별도로 관리해야 하므로 이를 고려하여 설계 및 운영해야 필요가 있다.

 

 

 

 

 

기사제공: 한국환경공단 영남지역본부

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기사입력 : 2011-11-17 10:41:58
기사수정 : 2011-11-17 10:44:19

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