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Struvite 결정화를 이용한 하수슬러지내의 인 자원 회수에 관한 연구
Recovery of Presource from Sewage Sludge by a Struvite-forming Method 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.31 no.7, 2009년, pp.557 - 564  

최원준 (한국에너지기술연구원 온실가스연구단) ,  박규만 (한국산업기술시험원 환경기기팀) ,  윤배근 (부산대학교 환경공학과) ,  김민철 (한국농촌공사 환경지질처) ,  오광중 (부산대학교 환경공학과)

초록
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본 연구는 struvite 형성 방법을 이용하여 하수슬러지 내에 함유되어 있는 인을 효율적으로 회수하는 것을 목적으로 하였다. 산의 종류에 따른 인 용출 실험결과, HCl에 비하여 $H_2SO_4$가 2.65배 높은 효율을 나타내었으며, Mg 원과 온도에 따른 struvite 생성물의 침전율은 $25^{\circ}C$에서 $MgCl_2{\cdot}6H_2O$를 Mg원으로 사용한 경우에 97.4%로 가장 높게 나타났다. 또한, 인 회수 과정에서 Fe, Al, Zn 등에 의한 부반응이 일어났으며, 이를 해결하기 위하여 pH 7에서 인 화합물의 침전을 유도하여 부반응 공침전 물질을 다량 제거시킬 수 있었다. Struvite 형성 방법을 통한 최종 인 회수율은 82.99%로 순도 높은 struvite 생성물을 회수할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The objective of this study is to efficiently recover phosphorus contained in sewage sludge by a struvite-forming method. The performances were evaluated under various operating conditions(elution with the kind of acid, Mg-compound and temperature) in order to reach the optimum conditions of struvit...

주제어

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문제 정의

  • Struvite 형성 전∙후의 생성물 변화를 통한 회수율을 알아보기 위하여 우선 형성 전의 하수슬러지 원시료와 형성 후의 최종 생성물을 살펴보고자 하였다. Struvite 형성 전, Table 2에서 최초 본 실험에서 사용된 하수슬러지 내 인의 비율 3.
  • 를 이용한 하수슬러지의 용출액에서 인을 회수하기 위한 방안의 하나인 struvite 형성방법은 Mg 원과 NH4 및 PO4의 첨가에 따라 인의 회수율이 달라진다. 따라서, 본 연구에서는 NH4 및 PO4를 고정시킨 후 Mg 원에 따른 struvite 생성물의 침전 변화를 살펴봄으로써 가장 효율적인 Mg 원을 제시하고자 하였다. 실험 조건은 pH 7에서 부반응 물질을 제거한 후 회수된 침전물을 struvite의 생성이 가장 활발한 조건인 pH 10.
  • 따라서, 본 연구에서는 여러 인 회수 방법 중 struvite 형성 방법을 이용하여 하수슬러지 내의 인을 인산염의 형태로 추출하는 재생기술을 연구하고자 하였으며, 이를 위해 우선 산 종류(H2SO4, HCl)에 따른 인 용출율을 파악하여 최적의 산을 제시하고, struvite 형성시 pH, Mg 첨가제 및 온도에 따른 struvite 회수율에 대해 살펴봄으로써 인회수 과정에서 발생할 수 있는 부반응을 억제하여 순도 높은 인산염을 회수할 수 있는 최적조건을 도출하고자 하였다. 아울러, struvite 형성 전∙후의 생성물 변화를 통한 회수율을 살펴봄으로써 국내 인 자원화에 대한 기술 개발에 기초자료를 제시하고자 하였다.
  • 따라서, 본 연구에서는 여러 인 회수 방법 중 struvite 형성 방법을 이용하여 하수슬러지 내의 인을 인산염의 형태로 추출하는 재생기술을 연구하고자 하였으며, 이를 위해 우선 산 종류(H2SO4, HCl)에 따른 인 용출율을 파악하여 최적의 산을 제시하고, struvite 형성시 pH, Mg 첨가제 및 온도에 따른 struvite 회수율에 대해 살펴봄으로써 인회수 과정에서 발생할 수 있는 부반응을 억제하여 순도 높은 인산염을 회수할 수 있는 최적조건을 도출하고자 하였다. 아울러, struvite 형성 전∙후의 생성물 변화를 통한 회수율을 살펴봄으로써 국내 인 자원화에 대한 기술 개발에 기초자료를 제시하고자 하였다.

가설 설정

  • 아울러, struvite 형성 전의 생성물 변화를 살펴보기 위하여 XRF 분석을 통한 시액 중의 인과 결합 가능한 물질인 Mgavail, Feavail, Caavail, Alavail을 구하고, 이를 생성된 모든 침전물은 인과 반응하여 형성된 인화합물로만 이루어진 것으로 가정하여 식 (4)~(7)을 이용하여 침전 후의 개별 인 화합물의 농도 PMgP, PFeP, PCaP, PAlP를 구하여 Table 4에 나타내었다. 표에 나타낸 바와 같이 struvite 형성 전의 개별 인화합물의 인의 비율은 PMgP 0 wt%, PFeP 1.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
세계 인광석 사용량의 연간 증가율을 2.8%를 고려하면 언제 인자원 고갈이 심각해질 것으로 예측하는 지적이 있는가? 2) 세계 인광석 사용량의 연간 증가율을 2.8%를 고려하면 2030년경에는 인자원 고갈이 심각해질 것으로 예측하는 지적도 있다.3) 2001년 유럽화학공업협회(CEFIC)의 국제학술회의에서는 향후 지구차원에서 인자원의 고갈이 전망되고 있으며 그 대안으로 하∙ 폐수 중의 인을 회수하여 재이용하는 기술을 새로운 각도에서 매우 긍정적으로 평가하기도 하여4) 전 세계적으로 인을 폐수에서 고효율로 제거하는 것은 물론이고 자원순환이라는 관점에서 회수 및 재이용해야 할 필요성이 높아지고 있는 추세이다.
우리나라의 수처리 시설에서도 고도영양염류의 제거를 위한 무엇이 점차 증대되고 있는 추세인가? 현재 우리나라의 수처리 시설에서도 고도영양염류의 제거를 위한 고도정수처리 시설이 점차 증대되고 있는 추세이며, 이에 하수슬러지 내의 대표적인 영양염류 중의 하나인 인의 함량이 점차 증가할 것으로 예상되나 현재까지는 대부분이 하수처리장에서 슬러지 중에 포함되어 폐기물로 처리되거나 공공용 수역으로 이동 후 축적되어 부영양화의 원인이 되고 있는 실정이다.
Struvite 형성방법을 이용하여 하수슬러지로부터 인을 재생시키기 위한 최적의 인회수 방법 조건을 도출하고 인회수율을 살펴본 결과는? 1) H2SO4와 HCl을 이용하여 하수슬러지 내 인을 용출할 경우, 두 용출액 모두 침전 시 부반응 공침전 물질인 Fe, Al, Zn 등의 이온이 함께 용출되었으나 HCl에 비하여 H2SO4가 2.65배 높은 인의 비율을 보였으며, HCl을 통한 용출은 생성 인화합물 및 침전 여액에 다량의 Cl이 함유되어 여액의 후처리라는 문제를 가지고 있으므로 하수슬러지 내의 인의 용출에 있어 HH2SO4를 이용하는 것이 보다 효율적이다. 2) 하수슬러지를 이용한 struvite 형성을 통한 인화합물의 회수 시 온도 및 Mg 원에 따른 struvite 생성을 높이기 위한 최적조건은 각각 25℃, MgCl2∙6H2O로써 이 때 97.4%의 높은 회수율을 얻었다. 또한, struvite 형성시 Fe, Al, Zn 등에 의한 부반응이 일어나므로 이를 해결하기 위하여 pH 7 부근에서 침전을 유도하면 부반응 물질인 Zn, Fe, Ca의 수산화물의 공침전은 일어나지 않고 이온상태로 여액에 존재하므로 보다 고순도의 많은 양의 인을 회수할 수 있을 것으로 판단된다. 3) 기존 하수슬러지에서 인의 비율은 3.11 wt%로써 struvite 형성 전 H2SO4를 이용하여 용출 된 인의 비율은 2.65 wt%이며, struvite 형성방법을 통해 얻어진 인의 비율은 부반응 물질인 Fe, Zn 등의 비율 감소에 따른 상대적인 증가에 의해 5.81 wt%로 나타났다. 4) 건조 하수슬러지 중 인의 용출율은 85.21%, 침전율은 97.40%로 나타나 이를 통한 최종 인화합물의 재생율은 82.99%임을 확인하였으며, 실험적인 인의 회수량은 평균 4.24 g의 침전물을 얻어 비교식을 통해 얻어진 4.44 g의 침전량을 통한 인회수율은 95.5%의 높은 상관도를 가졌다.
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참고문헌 (14)

  1. 폐기물관리법, 환경부(2008) 

  2. Steen, I., “Phosphorus availability in the 21st century: Management of a nonrenewable resource,”Phosphorus and Potassium, 217, 25-32(1998) 

  3. Norbert, J., and P pel, H. J.,“ Phosphate release of sludge from enhanced biological P-removal during digestion,”Proceedings of IAWQ 17th Biennial International Conference, 1, 167-174(1994) 

  4. Nicolas J., “Recyling of removed phosphorus”, Office International de I’Eau, CEEP, January-April(2001) 

  5. 원성연, 박승국, 이상일, “Struvite 결정화에 의한 질소 및 인의제거,” 대한환경공학회지, 22(4), 599-607(2000) 

  6. 조원실, 윤성준, 라창식, “Struvite 결정화에 의한 축산폐수로부터 질소?인 자원의 재생,” 동물자원지, 45(5), 875-884(2003) 

  7. 김종오, 정종태, 김학균, “Struvite 결정화를 이용한 혐기성 발효액의질소와인제거,” 한국지반환경공학회지, 7(6), 5-12(2006) 

  8. Legeros, R. Z., and Legeros, J. P., “Phosphate minerals in human tissues”, Phosphate Minerals, Springer-verlag, Berlin, 351-385(1985) 

  9. 강동현,“ 침전법에 의한 폐수중의 철이온 제거에 관한 기초 연구”, 한국자원리싸이클링학회지, 2(2), 16-21(1993) 

  10. Carlidll, C., and Wheatley, A., “Metal phosphate speciation during anaerobic digestion of phosphorus rich sludge,” Proceedings of the 8th International Conference on Anaerobic Digestion, 1, 131-140(1997) 

  11. Snoeyink, V. L., and Henkins, D., Water Chemistry, John Wiley & Sons, Inc (1980) 

  12. Buchanan, J. R., Mote, C. R., and Robinson, R. B., “Struvite control by chemical treatment,” Amer. Soc. Agri. Eng., 37(4), 1301-1308(1994) 

  13. 임정아, 윤정효, 박선호, “THM 형성 영향인자에 의한 THM 농도예측 및 고도정수처리 공정에의 적용,” 대한상수도학회지, 11(4), 126-132(1997) 

  14. Borgerding, J., “Phosphate deposits on digestion systems,” J. Water Pollut. Control Fed., 44, 813-819(1972) 

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