서 론

양돈 농장의 액체 비료 저장 탱크는 시간이 지남에 따라 바닥에 굳어진 슬러지 층이 형성되는 것이 일반적이다(Jeong et al., 2013). 이렇게 압축된 슬러지는 미분해 고형물, 광물 침전물, 유기 잔류물로 구성되며, 혐기성 조건에서 장기간 침전 및 탈수 과정을 거친다(Owusu-Twum and Sharara, 2020). 장기 저장된 돼지분뇨 저장조의 상등액은 부유고형물 농도가 낮은 반면, 바닥부에는 슬러지와 고형물이 집중되는 경향을 보여 저장 깊이에 따른 고형물 분포의 비균질성이 나타나며, 양돈 농장의 액체비료 저장 탱크에서는 시간 경과에 따라 고착성 슬러지층이 형성될 가능성이 높다(Jeong et al., 2006). 장기 저장된 양돈 분뇨 저장조에서는 고형물이 바닥부에 축적되는 반면, 상등액의 SS(Suspended solids) 농도는 상대적으로 낮게 유지될 수 있다(Jang et al., 2021). 이는 대부분의 고형물이 바닥 슬러지 층에 갇혀 있음을 나타내는데, 이러한 축적은 유효 저장 용량을 감소시키고, 혼합 및 반출 작업을 저해하며, 혐기성 분해로 인한 악취 발생에 기여한다(Owusu-Twum and Sharara, 2020; Pfost et al., 2000).

축적된 슬러지의 제거에는 일반적으로 기계적 교반에 의한 유동화와 준설에 의한 직접 제거가 활용된다(Korea Institute of Construction Technology, 2003). 기존의 슬러지 제거 방법은 대체로 노동 집약적이며, 저장조 내부 작업 과정에서 황화수소 등 유해가스에 노출될 위험이 크다. 따라서 축산분뇨 저장조의 슬러지 제거 작업은 작업자 안전 측면에서 신중한 관리가 요구된다(Kim, 2015; Park et al., 2013). 혐기성 연못의 슬러지 관리는 연못 기능 유지 및 효율적인 영양소 이용 보장에 매우 중요한 요소로 인식되고 있다(Owusu-Twum and Sharara, 2020). Hamilton (2002; 2010)은 양돈분뇨 연못의 슬러지 축적이 유기물 부하율과 고형물 관리 방식의 영향을 받는 복잡한 패턴을 따르며, 표준 축적률은 교란된 연못에서 실제 축적량을 과소평가할 수 있다고 보고하였다(Hamilton, 2002; Hamilton, 2010). Bicudo et al. (1999)는 양돈분뇨 처리조 시스템의 총 인과 휘발성 고형물의 90% 이상이 슬러지 구획 내에 포함되어 있다고 보고했으며, 이는 효과적인 슬러지 제거 전략의 필요성을 강조한다(Bicudo et al., 1999).

최근 연구에서는 슬러지 용해를 촉진하는 수단으로 화학 첨가제를 개발하였다. 화학적 슬러지 용해제가 경화된 슬러지를 연화시켜 재현탁 및 반출이 용이하도록 하는 효능을 입증했다(Myung et al., 2024). 슬러지 매트릭스는 반고체의 층상 구조를 이루기 때문에, 적절한 교반 없이 화학제를 투입하면 약제가 주로 액상부와 슬러지 표면에만 작용하여 내부까지 충분히 침투하지 못할 수 있으며, 이로 인해 약제 효과가 저하될 수 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 용해제를 슬러지층에 직접 전달하는 고압 스프레이 분사 시스템이 개발되었다. 이 시스템은 고압 분사를 통한 기계적 단편화와 화학적 용해를 결합하는 동시에 물리적 슬러지 구조를 파괴하고 퇴적물 내부에 용해제를 주입한다.

슬러지 분해 기술은 크게 기계적, 열적, 화학적, 생물학적 방법으로 분류된다(Atay and Akbal, 2016; Ødegaard, 2004). 고압 균질화와 같은 기계적 방법은 하수슬러지에서 휘발성 부유 고형물을 효과적으로 감소시키고 유기물을 용해시키는 것으로 나타났다(Zhang et al., 2013). Atay and Akbal (2016)은 슬러지 분해 기술에 대한 포괄적인 개요를 제공하면서 기계적-화학적 접근 방식을 결합하면 상당한 슬러지 감소를 달성할 수 있다고 언급했다(Atay and Akbal, 2016). 본 연구의 고압 분무 시스템은 농업용 저장 탱크에 있는 경화 슬러지의 현장 처리를 위해 특별히 설계된 이러한 결합 접근 방식의 새로운 적용 사례이다. 이러한 슬러지는 극도로 압축되어 있고, 무기물 함량이 높으며, 현장 접근성이 제한적이라는 점에서 일반적인 하수슬러지와 근본적인 차이가 있다.

본 연구에서는 화학 용해제와 고압 분무를 병용한 처리가 물만 분무한 처리보다 부유 고형물 농도를 훨씬 더 크고 지속적으로 증가시킬 것이며, 반복 처리를 통해 화학물질이 더 깊숙이 침투하여 슬러지 층이 점진적으로 용해될 것이라고 가설을 세웠다. 따라서 본 연구는 양돈분뇨 액비 저장탱크에서 경화된 슬러지를 액화시키기 위해 고압 분무 주입 시스템과 화학 용해제를 병용한 현장 평가 결과를 제시한다. 연구 목표는 다음과 같다. (1) 액상 부유 고형물 농도 및 고형분 조성 변화를 측정하여 기계적-화학적 병용 처리가 침전된 슬러지를 현탁시키는 데 얼마나 효과적인지 정량화한다. (2) 병용 처리와 고압수 분무 단독 처리를 비교한다. (3) 4주 간의 처리 기간 동안 슬러지 용해의 지속성과 진행 과정을 평가한다.

Materials and methods

1. 현장 및 슬러지 조건

현장 시험은 대한민국 경기도에 위치한 양돈분뇨 액비저장조에서 수행하였다. 액비저장조는 실외에 설치된 원통형 콘크리트 저장조(용량 약 300m³, 깊이 약 3m) 2기에서 각각 실험을 수행하였으며, 경화된 슬러지의 양은 2기 동일하게 약 100m³가 축적되어 있었다. 액비저장조 내 분뇨는 하부에 경화된 슬러지 층부터 상층에 초기 고형물 함량이 TSS 약 533mg/L로 비교적 낮은 액비까지 있었다.

2. 고압 분무 시스템과 화학적 용해제

용해제 고압분무 시스템은 이동식 고압 펌프 장치, 화학적 용해제 저장 탱크 및 분리 가능한 분사 노즐로 구성되었다(Figure 1). 펌프는 200 bar의 압력과 15 L/min의 유량을 처리할 수 있도록 설계되었으며, 7.5 HP 모터(장치 무게 약 60 kg)로 구동되었다. 노즐은 스테인리스강(SUS)으로 제작되었으며, 다양한 분사패턴(분사각 0°, 45°, 120°)을 생성할 수 있도록 교체 가능한 헤드가 장착되었다. 본 연구에서는 용해제가 보다 효율적으로 슬러지층으로 침투할 수 있도록 분사각 45°의 노즐헤드를 사용하였다. 노즐은 손잡이가 달린 랜스를 3단으로 최대 1.5m까지 늘려서 부착할 수 있어 작업자가 접근포트를 통해 탱크바닥까지 삽입할 수 있도록 제작하였다. 펌프가 작동되면 탱크 내 용해제가 고압호스를 통해 노즐로 보내지고, 노즐헤드에서 기류를 형성하며 슬러지에 분사할 수 있도록 설계되었다. 이 분사방식은 슬러지 매트릭스를 물리적으로 분해하는 동시에 화학약품이 슬러지 침전물 내부에 직접 주입되어 혼합한다. 또한 펌프는 역방향으로 흡입이 가능하도록 되어 있어, 슬러지 층에 분사가 끝난 후 노즐을 물에 담궈 노즐과 호스를 청소할 수 있도록 제작하였다.

Figure 1.

Schematic of a high-pressure spray-chemical treatment system¹⁾.

본 실험에서 사용된 용해제는 10wt% Sodium tripolyphosphate, 8wt% lignosulfonate, 2.5wt% Ethylenediaminetetraacetic acid(EDTA) 조합의 혼합제로 경화된 슬러지를 용해하기 위해 개발된 화학적 용해제로 사용하였다. 화학적 용해제는 슬러지 용해 현장 적용을 위해 1회 5톤을 생산하였다. 본 용해제는 저장 탱크에 투입되었고, 슬러지 100m³에 1:500의 비율을 적용하여 총 200L를 4회에 나누어 회당 50L씩 주입하였다. 본 화학적 용해제는 실제 슬러지 축적이 진행된 액비저장조 또는 돈사에 적용하기 위해 상온에서 적용가능하며, 분뇨의 pH 등 적용범위에 제한없이 사용이 가능하도록 제조되었다. 슬러지 대상 분사 시 유해가스가 발생할 가능성이 있으므로 사전 폭기, 마스크 착용, 2인 1조 실험 등 안전예방 조치를 준수하였다.

3. 실험 절차

용해제 고압분무 시스템의 효과를 검증하기 위해서 고압분무 시스템에 물을 이용하여 실험한 대조군과 고압분무 시스템과 화학적 용해제를 이용한 실험군으로 구분하여 실험을 진행하였다. 1일차(초기 처리)에는 노즐을 슬러지층 바닥까지 삽입하고 200L의 화학 약품을 고압으로 슬러지에 분사했다. 분사는 화학 약품 탱크가 비워질 때까지 진행되었으며, 15L/min의 유량으로 분사되었다. 분사 노즐을 탱크 바닥 전체에 걸쳐 여러 지점에 분사하여 슬러지가 광범위하게 파쇄하였다. 각 분사 직전과 분사 후 약 1~2시간 후에 탱크 상층부(표면 바로 아래)에서 액체 시료를 채취하여 분석했다. 이러한 "사전" 및 "사후" 샘플링을 통해 처리로 인해 부유된 슬러지의 양을 평가할 수 있었다. 1일차, 7일차, 14일차, 21일차 총 4회에 걸쳐 동일한 절차(각각 200L의 화학약품 투여량)로 추가 처리를 실시했다. 21일차 이후로는 더 이상 화학물질을 첨가하지 않았으며, 최종처리(21일차) 후 1주일(28일차)이 지난 시점에 효과를 관찰하기 위해 마지막 샘플을 채취하였다. 대조군으로는 동일한 수조에 화학물질없이 물만 분사하는 실험을 진행했다. 수조가 안정화된 후, 별도의 날짜에 고압 분무기를 사용하여 깨끗한 물(200L)을 공급했으며, 최대 3주 동안 매주 동일한 방식으로 반복했다. 이는 화학 작용 없이 고압수 분사만으로 인한 기계적 효과에 대한 기준선을 제공했다.

4. 분석방법

수집된 모든 액체 시료의 고형물 함량을 분석했다. 총 부유 고형물(Total suspended solids, TSS)은 표준 중량 측정법으로 측정하였다. 잘 혼합된 시료 일정량(일반적으로 예상되는 고형물 함량에 따라 2~10mL)을 미리 무게를 측정한 유리 섬유 필터(Whatman GF/C)에 여과했다. 여과된 시료는 105°C에서 항량이 될 때까지 오븐 건조하여 총 부유 고형물을 측정했고, 휘발성 부유 고형물(Volatile suspended solids, VSS)과 고정 부유 고형물(Fixed suspended solids, FSS)은 건조된 여과 잔류물을 550°C에서 소각하고 무게 감소량(VSS)과 잔류 회분량(FSS)을 측정하였다. 총 고형물(Total solids, TS) 함량은 여과하지 않은 시료를 105℃에서 항량이 될 때까지 건조하여 측정했다. 총 용존 고형물(Total dissolved solids, TDS)은 TS에서 TSS를 뺀 값으로 계산했다. 총 휘발성 고형물(Total volatile solids, TVS)과 총 고정 고형물(Total fixed solids, TFS)은 건조된 TS 잔류물을 550°C에서 소각하여 구했다. 고정 용존 고형물(Fixed dissolved solids, FDS)과 휘발성 용존 고형물(Volatile dissolved solids, VDS)은 해당 순차 측정으로부터 도출되었다.

각 시료에 대해 이러한 측정값을 3회 반복하여 평균값을 보고했다. 다음의 도출된 매개변수들을 계산하였다: TSS/TDS 비율, VSS/TSS 비율(%), FSS/TSS 비율(%), TS 대비 VSS 및 FSS의 백분율, TS 대비 FDS 및 VDS의 백분율, 그리고 부유 고형물 분획 대 용존 고형물 분획 비율(SS%/DS%). 주요 매개변수(TS, VSS, FSS, FDS, VDS)의 처리 유도 증가율은 각 시점에서 처리 전 값 대비 처리 후 값의 백분율 변화로 계산하였다.

5. 통계 분석

각 시점에서 측정된 모든 매개변수에 대해 기술 통계량(평균, 표준편차)을 계산하였다. 시점별 표본 크기가 제한적인 반복 측정 설계로 인해 그룹 간 비교에는 비모수적 방법을 사용하였다. 모든 시점에서 고압분무 시스템과 화학적 용해제를 이용한 실험군과 고압분무 시스템에 물을 이용하여 실험한 대조군의 처리 후 TSS 값을 비교하기 위해 Mann-Whitney U 검정을 사용하였다. 시계열 추세는 변화율 분석을 통해 정성적 및 정량적으로 나타났다. 모든 통계 분석은 Python(NumPy, SciPy, pandas)을 사용하여 수행했다.

Results and discussion

1. 시계열별 TSS 변화

본격적인 실험 전 처리전 상등액의 TSS 농도는 약 533mg/L (0.53g/L)로, 대부분의 고형물이 침전된 다른 슬러지 저장조와 유사한 수준이었다(Fulhage, 1994). 이 기준치는 처리로 인한 TSS 증가량을 평가하는데 참고자료로 사용되었다. 침전 슬러지의 특성은 장기간 축적된 돼지 분뇨 슬러지에 대한 기존 문헌의 설명과 일치했다. 이러한 슬러지는 일반적으로 TS 함량이 높고, 시간이 지남에 따라 무기물 농축으로 인해 무기물(고정) 분획이 증가하며, 분해성이 낮은 것으로 연구되었다(Owusu-Twum and Sharara, 2020; Lee et al., 2014). Lee et al.(2014)은 액체 비료 저장 탱크에 있는 돼지 분뇨 슬러리 침전물의 총 질소 농도가 9,000~11,100 mg/L, 인산염 농도가 9,100~11,100 mg/L이며, 유기물 함량은 8.79~10.56%이고 입자 크기는 주로 0.125 mm 미만이라고 보고되었다(Lee et al., 2014).

액상에서의 TSS 농도는 두 처리 조건 간에 현저히 다른 시간적 패턴을 보였다(Table 1, Figure 2). 고압분무 시스템과 화학적 용해제를 이용한 실험군에서 처리 전 TSS 농도는 1일차 533 mg/L에서 28일차 17,000 mg/L로 점진적으로 증가했는데, 이는 이전에 침전되었던 슬러지가 연속적인 처리 과정 동안 지속적으로 방출되어 부유 상태로 유지되었음을 나타낸다. 고압분무 시스템과 화학적 용해제를 이용한 실험군에서 처리 후 TSS는 1일차 1,133 mg/L에서 28일차 53,333 mg/L로 더욱 급격하게 증가했다. 초기 기준치 대비 100배 증가는 기계적-화학적 복합 처리가 경화된 슬러지 층을 점진적으로 용해시켜 침전 물질을 부유 형태로 전환시켰음을 보여준다. 반면, 고압분무 시스템에 물을 이용하여 실험한 대조군은 근본적으로 다른 패턴을 보였다. 전처리 TSS는 21일까지 1,500mg/L 미만을 유지했지만, 후처리 TSS는 7일과 14일에 16,600mg/L로 최고치를 기록한 후 21일에는 4,250mg/L까지 급격히 감소했다. 이러한 양상은 고압수 ​​분사에 의한 기계적 교란이 일시적인 부유 효과만 유발했을 가능성을 보여준다. 슬러지 입자는 분사 중에 잠시 재부유되었지만, 7일간의 처리 간격 동안 대부분 재침전되었다. 21일에는 분사 직후의 TSS조차 5,000mg/L 미만으로 떨어졌는데, 이는 접근 가능한 약하게 결합된 슬러지가 대부분 소진되었거나 화학적 도움없이는 더 이상의 기계적 분해에 저항성을 갖게 되었음을 나타낸다.

Figure 2.

Changes in TSS concentration by the time. High-pressure spray system with water (Left) and High-pressure spray system with chemical solvent (Right).

고압분무 시스템과 화학적 용해제를 이용한 실험군에서 처리 전 TSS의 점진적인 축적은 특히 중요한 결과이다. 처리 전 TSS가 기준치 수준에 가깝게 유지된 물만 사용한 처리와는 달리(처리 간 부유물질의 완전한 재침전을 나타냄), 고압분무 시스템과 화학적 용해제를 이용한 실험군에서는 연속적인 처리마다 부유물질의 양이 점진적으로 증가하는 것을 보여주었다. 이는 화학물질이 슬러지의 물리적 상태를 근본적으로 변화시켜 재응고를 방지하고 누적적인 용해를 가능하게 했음을 시사한다. 28일 동안 전처리 시료에서 TSS가 533 mg/L에서 17,000 mg/L로 증가한 것은 기준 TSS 수준의 32배 증가를 나타내며, 이는 슬러지 매트릭스가 화학적 작용에 의해 점진적으로 불안정화되고 분해되었다고 사료된다.

이러한 결과는 슬러지 분해 기술에 대한 기존 연구와 일치한다. 기존 연구에서는 기계적 방법만으로는 일시적인 효과만 나타나는 반면, 기계적-화학적 방법을 결합하면 보다 지속적인 결과를 얻을 수 있다고 보고하였다(Atay and Akbal, 2016; Ødegaard, 2004). Zhang et al. (2013)은 80 MPa의 고압에서 4회 균질화 처리를 통해 하수 슬러지의 VSS를 10.58 g/L에서 6.67 g/L로 감소시켰으며, TSS(총 고형물) 감소의 약 86%가 VSS 감소에 기인한다고 보고하였다(Zhang et al., 2013). 그러나 본 현장 연구는 부유 고형물을 감소시키는 것이 아니라 침전되고 압축된 슬러지를 반출 가능한(pumping-out) 현탁액으로 전환하여 TSS을 증가시키는 것을 목표로 한다는 점에서, 농업용 저장 탱크에 적용된 분해 기술의 근본적으로 다른 적용 사례이다.

2. 시계열별 VSS, FSS의 변화

TSS의 VSS 및 FSS 조성은 부유 슬러지 물질의 유기성 및 무기성 특성을 분석할 수 있다(Table 2, Figure 3). 고압분무 시스템에 물을 이용하여 실험한 대조군에서 처리 전 VSS 비율은 TSS의 3.0%~53.3%로 현저히 낮았으며, 나머지는 FSS(46.7~97.0%)가 대부분을 차지했다. 이는 무기물 농도 증가와 유기물 분해로 무기물 비율이 점진적으로 증가하는 장기간 축적 슬러지의 특성과 일치한다. 그러나 물 분무 직후 VSS 비율이 크게 증가(58.6~66.0%)했는데, 이는 기계적 교란이 밀도가 낮은 유기 슬러지 성분을 우선적으로 부유시켰음을 나타낸다. 7일 간의 안정화 기간 동안 유기 입자가 우선적으로 재침전되면서 VSS 분율은 다시 감소하여 다음 전처리 측정 시점에는 낮은 VSS 비율(3.0~19.9%)로 돌아왔다.

Figure 3.

Changes in VSS and FSS concentrations by time in the high-pressure spray system with water (left) and high-pressure spray system with chemical solvent (right).

용해제 분무 처리군에서 처리 전 VSS 분율은 62.5%에서 시작하여 21일째에 81.2%까지 점진적으로 증가했는데, 이는 화학 물질이 슬러지 매트릭스에서 유기물을 분리하는 데 점점 더 효과적이었음을 나타낸다. 용해제 고압분무 처리군의 후처리 VSS 분율 또한 증가 추세를 보이며 21일째에 85.8%에 도달하였다. 부유 고형물의 유기물 분율의 이러한 현저한 증가는 용해제가 경화된 슬러지의 유기-무기 결합 및 구조적 매트릭스를 화학적으로 파괴하여 휘발성(유기) 성분을 우선적으로 부유 상태로 방출했음으로 판단된다.

물 고압 분무 처리군에서 분무 직후 VSS 비율이 일시적으로 높아지는 것은 단순한 기계적 분해를 반영한다. 고압수는 느슨하게 결합된 슬러지를 물리적으로 분해하고 밀도가 낮은 유기 입자를 우선적으로 부유시켰다. 그러나 재응집을 방지하는 화학적 작용이 없으면 이러한 입자는 안정화기간 동안 다시 침전되었다. 용해제 고압분무 처리군에서 VSS 함량의 점진적이고 지속적인 증가는 슬러지의 구조적 용해를 나타낸다. 화학물질은 슬러지 매트릭스 내의 결합 메커니즘을 파괴하여 재응집을 방지하고 연속적인 처리마다 유기물의 누적 방출을 가능하게 한다. 이러한 해석은 슬러지 분해가 입자 크기 감소와 입자 간 결합의 용해를 모두 포함한다는 일반적인 이해와 일치한다(Ødegaard, 2004; Weemaes and Verstraete, 1998).

TFS와 TVS 간의 관계는 이러한 해석을 더욱 뒷받침한다(Table 3). 용해제 고압분무 처리군에서 전처리 시료의 TFS/TVS 비율은 1일차의 60%에서 21일차의 23.2%으로 감소했는데, 이는 처리가 진행됨에 따라 TS 중 유기물 부분이 점차 우세해졌음을 나타났다. 이러한 변화는 화학 약품이 유기 슬러지 성분에 선택적으로 작용하고 나머지 고형물이 점진적으로 재구성되는 것을 반영한다.

3. 고형상 전이: TSS/TDS 비율 및 SS/DS 조성

TSS/TDS 비율과 SS%/DS% 조성은 슬러지 물질이 침전 상태에서 부유 및 용존 상태로 전이되는 양상을 보여준다(Table 4). 용해제 고압분무 처리군에서 TSS/TDS 비율은 전처리(1일차) 0.19에서 전처리(21일차) 1.86으로 급격히 증가했으며, 처리 후 21일차에는 3.56에 도달하였다. 이러한 상당한 증가는 성분이 용존 고형물에서 부유 고형물로 점진적으로 전환되었음을 나타내며, 이는 처리공정을 통해 이전에 침전되었던 슬러지가 부유 형태로 변화되었음을 확인할 수 있다.

주목할 만한 점은 용해제 고압분무 처리군에서 처리 전 및 후 TSS/TDS 비율 간의 차이이다. 14일째에 처리 전 TSS/TDS 비율 137.2%이 처리 후 값(56.5%)보다 높았는데, 이는 14일째에 실시된 고압 분무 처리가 하층에서 추가적인 슬러지를 부유시켰을 뿐만 아니라 고압분무로 인한 교란과 동시에 TSS/TDS 비율이 일시적으로 희석되었을 것으로 추측된다. 그러나 21일째에는 지속적인 용해 과정으로 인해 충분한 부유 물질이 축적되어 후처리 TSS/TDS 비율이 356.2%까지 상승했는데, 본 실험상 최고치로 TDS 대비 TSS 양이 증가한 것으로 판단된다. TDS 대비 TSS의 증가는 처리 시스템이 주로 압축 슬러지를 완전히 용해된 물질보다는 부유 입자 물질로 전환하고 있음을 나타낸다. 이는 실제 슬러지 관리에서 중요한 의미를 갖는데, 부유 고형물은 펌프를 통해서 제거(반출)할 수 있지만, 완전히 용해된 고형물은 다른 처리 방식이 필요하기 때문이다. 부유 물질의 우선적 생성은 슬러지를 저장조로부터 반출하고 운반하며, 후처리를 경제적으로 할 수 있게 만드는 운영 목표를 제공한다고 볼 수 있다.

4. 처리로 인한 고형물 증가율

처리로 인한 증가율은 각 시점에서 처리 전후 조건 간의 변화 정도를 정량화하였다(Table 5). 용해제 고압분무 처리군의 경우, TS 증가율은 1일차에 40%였지만 7일차에는 1,158.8%로 급증했는데, 이는 첫 번째 화학물질 주입으로 초기 슬러지층이 파쇄되면서 고형물이 대량으로 방출되었음을 반영한 결과로 판단된다. 이후 증가율은 14일차에 320.0%, 21일차에 283.0%, 28일차에 142.1%였다. 후반 시점에서 증가율이 감소하는 추세는 효과가 감소했음을 의미하는 것이 아니라, 이전 처리로 인한 누적 용해로 인해 처리 전 기준 농도가 이미 상당히 높아져 있어 증가량이 상대적으로 작아졌음을 반영한다. 물 고압 분무 처리군의 경우, VSS 증가율은 초기 시점에서 극단적인 값(1일차 19,700%, 7일차 29,990.9%)을 보였다. 이러한 예외적으로 높은 백분율 증가는 대조군 탱크의 처리 전 VSS 값이 매우 낮았기 때문이다(1일차에 16.7mg/L). 즉, 작은 절대적 증가에도 불구하고 큰 상대적 변화가 발생했는데, 이는 용해 효율을 해석할 때 상대적 변화와 절대적 변화 모두를 검토하는 것이 중요하다는 점을 알 수 있다.

물 고압 분무 처리군에서 FDS 증가율은 음수 값(-57.1%, -44.7%, -58.5%)을 나타냈는데, 이는 물 분무 처리 후 FDS가 실제로 감소하였음을 알 수 있다. 이러한 이상 결과는 첨가된 물(처리당 50L)로 인한 일부 희석 효과와 슬러지에서 무기 침전물을 용해하는 물 분무의 제한된 능력에 기인할 수 있다. 반면, 용해제 고압분무 처리군는 모든 시점에서 양의 FDS 증가율(38.6~1,281.0%)을 보였는데, 이는 화학 물질이 슬러지 매트릭스에서 무기 성분을 용해하는 능력과 일치한다고 볼 수 있다. VDS 증가율은 두 처리 모두에서 양의 값을 나타냈는데, 이는 기계적 및 화학적 작용 모두에 의해 유기물 용해가 발생했다고 사료된다. 다만, 그 정도는 용해제 고압분무 처리군에서 훨씬 더 높았다.

동일한 시점에서 처리 간 TS 증가율을 비교하면 복합적인 접근 방식의 우수성을 알 수 있다. 첫 번째 처리 시점에서 용해제 고압분무 처리군는 40.0% 증가를 보인 반면 물 고압 분무 처리군은 89.5% 증가를 보였다. 그러나 7일째에는 용해제 고압분무 처리군이 1,158.8% 증가를 달성한 반면 물 고압 분무 처리군은 362.3% 증가에 그쳐 약 3.2:1의 비율을 보였다. 용해제 고압분무 처리군이 초기에는 더 낮은 증가율을 보였지만 이후 물 고압 분무 처리군을 크게 앞지른 이러한 역전 현상은 화학 물질이 상당한 용해 효과를 나타내기 전에 슬러지 매트릭스와 초기 접촉 및 반응 시간이 필요한 것으로 사료된다. 화학 반응이 시작되면, 화학 물질이 점차 약해지는 슬러지 구조에 더 깊숙이 침투함에 따라 용해 속도가 가속화된다.

5. 슬러지 용해 메커니즘과 효과

종합적으로 분석된 데이터는 기계적-화학적 복합 처리 시스템에 대한 4단계 용해 메커니즘을 뒷받침한다.

- 1단계(초기 침투): 고압 제트가 압축된 슬러지 표면을 물리적으로 파쇄하여 화학 물질이 슬러지 내부로 침투할 수 있는 통로를 만든다.

- 2단계(화학적 연화): 용해제가 슬러지의 유기-무기 결합 구조를 화학적으로 파괴하여 기질을 연화시키고 전단 강도를 감소시킨다.

- 3단계(기계적 분해): 슬러지 구조가 약해지면 후속 고압 제트가 연화된 슬러지를 더 쉽게 분해하여 추가 물질을 방출한다.

- 4단계(지속적인 부유 상태 유지): 화학적으로 처리된 슬러지 입자는 재응집되지 않고 부유 상태를 유지하여 여러 처리 주기에 걸쳐 누적 용해가 가능하다.

이 메커니즘은 관찰된 데이터 패턴과 일치한다. 초기 시점(0~7일)은 화학 물질이 슬러지 내부로 처음 접근하는 초기 침투 및 연화 단계를 반영한다. 7일째에 나타난 급격한 TSS 증가(TS 증가율 1,158.8%)는 연화된 슬러지가 두 번째 분무 처리로 인해 쉽게 분해되는 연쇄 효과에 기인한다. 이후 시점(14~28일)에서는 기준 TSS 수준이 지속적으로 점진적으로 높아지는 양상을 보이며, 이는 반복 처리로 인한 누적 현탁 효과를 반영되었다. 물만 사용한 처리와 화학 물질을 사용한 처리의 차이는 슬러지 분해 관련 문헌에서 주로 응집 구조와 입자 크기에 영향을 미치는 순수 기계적 공정과 세포 내외 유기물을 용해시킬 수 있는 화학적 공정을 구분하는 것과 유사하다(Ødegaard, 2004; Weemaes and Verstraete, 1998). Boehler and Siegrist (2006)는 생물학적 슬러지의 기계적 분해가 과잉 슬러지 발생량을 크게 줄이고 침전 특성을 개선할 수 있지만, 그 효과는 에너지 투입량에 의해 제한된다고 하였다(Boehler and Siegrist, 2006). 본 연구에서 사용된 화학 물질은 분해에 필요한 에너지 임계값을 효과적으로 낮추어 동일한 기계적 에너지 투입량(200 bar)으로 훨씬 더 큰 용해를 달성할 수 있게 했다.

이러한 연구 결과는 축산 농장 슬러지 관리 측면에서 중요한 의미를 갖는다. Langner and Bibeau(2009)는 야외 연못에서 자연 침전된 돼지 분뇨를 분석하여 총 고형물(TS) 함량이 6.5% 이상인 바닥 슬러지 시료가 비뉴턴 유체이며 시간에 따라 유동학적 거동을 보인다는 것을 발견하였다(Langner and Bibeau, 2009). 이러한 슬러지는 기존 장비를 사용하여 반출하거나 혼합하기가 매우 어렵다. 본 연구는 기계적-화학적 복합 처리를 통해 이러한 압축된 비뉴턴 슬러지를 TSS 농도가 50 g/L를 초과하는 펌핑 가능한 현탁액으로 전환하여 표준 슬러리 처리 장비로 처리할 수 있음을 보여주었다.

고압 분무 시스템의 역할은 단순한 화학물질 전달을 넘어서 슬러지 표면의 기계적 파쇄는 화학물질 침투를 가능하게 하는데 필수적이며, 특히 표면 도포만으로는 침투가 미미한 고밀도 슬러지에서 더욱 중요하다. Yu et al.(2012)은 가축 액상 분뇨 저장 탱크의 침전 방지를 위해 2유체 제트 믹서를 개발하여 제트 혼합을 통해 총 고형물(TS) 균일도를 21.3g/L에서 23.0g/L로 향상시킬 수 있음을 보여주었다(Yu et al., 2012). 본 시스템은 고압 분사와 화학적 용해를 결합하여 훨씬 더 높은 용해 효율(총 고형물 농도(TSS)를 0.53g/L에서 53.3g/L로 증가)을 달성함으로써, 이러한 결합 방식의 시너지 효과를 강조한다.

이 현장 연구에는 몇 가지 한계점이 있다. 첫째, 실험 설계는 물만 사용한 대조군을 포함했지만, 독립적인 반복 탱크를 사용한 무작위 대조 시험이 아니었다. 두 가지 처리 조건은 동일한 탱크의 서로 다른 부분에 적용되었으므로 슬러지 특성에 공간적 변동성이 발생할 수 있다. 둘째, 화학적 용해제의 독점적 특성으로 인해 용해 메커니즘을 완전히 규명하거나 다른 화학적 처리와 직접 비교하는 데 한계가 있다. 셋째, 표본 크기(용해제 고압분무 처리군의 경우 5개 시점, 물만 사용한 대조군의 경우 4개 시점)가 일부 불균형한 부분이 있으며, 이는 Mann-Whitney U 검정 결과(U = 16.0, p = 0.19)에 따라 경향성이 있는 것으로 사료된다. 넷째, 본 연구는 고형분 분석에 초점을 맞추었는데, pH, 화학적 산소 요구량, 영양소 함량(질소, 인), 미생물 군집 변화 등의 추가적인 매개변수를 분석한다면 용해 과정과 환경적 영향을 보다 완벽하게 규명할 수 있을 것이다.

Conclusions

본 연구는 현장 배치가 가능한 고압 분무 시스템과 화학적 용해제를 결합하여 돼지 분뇨 저장 탱크의 경화된 슬러지를 효과적으로 액화시킬 수 있음을 입증했다. 4주 동안 매주 처리한 결과, 기계적-화학적 복합 처리 방식은 다음과 같은 주요 결과를 나타냈다.

(1)복합 처리는 처리 후 TSS 농도를 100배 증가시켰으며(533mg/L에서 53,333mg/L로), 이는 슬러지의 상당 부분이 반출가능한 부유물질로 전환되었음을 확인할 수 있는 요소이다.

(2) 화학적 처리 하에서 처리 전 TSS는 연속적인 처리 과정을 거치면서 점진적으로 축적되었다(28일째 17,000mg/L에 도달). 이는 용해제가 부유 슬러지의 재응고를 방지하고 누적 용해를 가능하게 했음을 나타낸다. 반면, 물만 사용한 처리에서는 부유물질이 처리 사이에 재침전되었다.

(3)화학 처리 후 21일째에 TSS 대비 VSS 비율이 62.5%에서 85.8%로 증가하여 유기 슬러지 성분의 선택적 용해 및 지속적인 현탁을 나타낸 반면, 물만 사용한 처리에서는 안정화 과정에서 역전되는 일시적인 VSS 증가만 관찰되었다.

(4)화학 처리 시 TSS/TDS 비율이 0.19에서 3.56으로 증가하여 용존 고형물 중심 시스템에서 부유 고형물 중심 시스템으로의 상전이가 확인되었으며, 이는 실제 슬러지 배출 작업에 매우 중요하다.

(5)화학 용해제는 동일 압력에서 물만 분무하는 것보다 훨씬 높은 슬러지 용해 효율을 나타냈으며, 용해제가 점차 약화된 슬러지 매트릭스에 더 깊숙이 침투함에 따라 연속 처리할수록 그 효과가 더욱 두드러졌다.

고압 화학 분무법은 가축분뇨 저장 시설의 경화 슬러지 관리에 유망한 해결책으로 제시한다. 저장 용량을 복원하고 슬러지를 반출 가능한 슬러리로 전환함으로써, 이 방법은 양돈 농장에서 흔히 발생하는 환경 및 운영상의 문제점을 해결할 수 있다. 화학약품 비용 및 안전한 운영 절차를 포함한 경제적 고려 사항은 수동 청소를 방지함으로써 경제적 이점이 있을 것으로 사료된다. 이러한 현장 슬러지 용해 시스템의 광범위한 도입은 분뇨 처리 효율을 향상시키고 하류 시설에서 대규모 슬러지 축적 위험을 줄일 수 있다. 기술을 개선하고, 투입 전략을 최적화하고, 경제적 이점을 정량화하고, 처리된 분뇨를 환경적으로 책임 있는 방식으로 활용하거나 폐기할 수 있도록 추가 연구 및 실증 프로젝트는 필요하다.