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문제 정의
- 본 연구에서는 하수슬러지 소각에 따른 중금속 배출실태를 파악하여 슬러지 소각시설 의 관리대책을 수립하는 기초 자료로서 제시하고자 한다. 이를 위하여 현재 국내에서 가동 증인 하수슬러지 소각시설 5곳을 대상으로 중금속 배출특성과 매체별 오염물질의 이동특성 등을 조사하였다.
- 본 연구에서는 하수슬러지 처리 방안 중 하나인 소각처리 증가에 대한 따른 중금속 배출실태를 파악하고자 국내 5개 하수슬러지 소각시설을 대상으로 중금속의 배출 특성을 조사하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 배출시설에서 배출되는 중금속 성분은 입자상 오염물질과 함께 배출되기 때문에 대기오염 공정시험 방법 중 먼지 시험방법에 따라 반자동식 시료채취기 (CAE, M-5 METER, USA)로 먼지 시료채취 방법과 동일하게 등속 흡인으로 채취하였다. 시료채취에 사용한 원통형 여과지 (Whatman 2814432)는 110±5℃(배출가스 온도가 110±5℃이상일경우 배출가스온도와 동일)에서 비결합 수분을 완전히 제거하고 데시케이터에서 실온으로 방냉한 후 무게를 측정하여 중금속 분석용으로 사용하였다.
- 소각시설의 적절한 관리방안을 도출하기 위하여 공정별 중금속류의 양과 슬러지 중금속 함량을 이용하여 물질수지를 작성하였다, 물질의 mass balance는 슬러지에 포함된 대상물질의 양을 산정하여 계산하였다. 슬러지에 어떠한 물리적 감소나 감량이 없는 이론적인 mass balance는 100%로 하였으며, mass balance는 생활폐기물을 주로 소각하는 E소각시설을 제외한 4개 시설을 대상으로 산정하였으며, 전단은 환경 중으로 배출되는 값은 아니나 방지시설의 효율과 물질의 이동에 대해서 고찰하기 위하여 산정하였다.
- 계산하였다. 슬러지에 어떠한 물리적 감소나 감량이 없는 이론적인 mass balance는 100%로 하였으며, mass balance는 생활폐기물을 주로 소각하는 E소각시설을 제외한 4개 시설을 대상으로 산정하였으며, 전단은 환경 중으로 배출되는 값은 아니나 방지시설의 효율과 물질의 이동에 대해서 고찰하기 위하여 산정하였다.
- 여과 후 여지(Whatman 40)를 물로 2~3회 씻어준 다음 여액과 씻은 액의 액량이 정확히 100ml되게 조절하였다. 이 분석용액의 Hge 수은분석기 (Mercury instruments , AULA-254), Ni 등 중금속 7종은 AA(Varian, Spectra AA)로 분석하였다*
- 중금속 추출에 사용한 시약은 유해중금속분석용 등급으로 HN03와 H202(30%) 등의 시약을 사용하였으며, 전처리된 분석용 시료는 원자흡광광도계 (Spectra AA, Varian, USA)를 사용하여 분석하였다.
- 킬달플라스크에하수슬러지나 소각재를 1g 취하고 여기에 질산 15ml, 염산(1+1) 70ml 및 유리구 4~ 5개를 넣은 다음 서서히 가열하여 액량이약 5~10ml가 될 때까지 증발 농축하고 방냉한 후 질산 5ml와 과염소산 10ml를 넣고 가열하여 과염소산이 분해되어 백연이 발생할 때 가열을 중단하였다.
- 하수슬러지 및 소각재의 중금속 함량을 Cr, Cd, Ni, Cu, Pb, Zn, Hg, As 등 8개 항목에 대해서 조사하였다. 킬달플라스크에하수슬러지나 소각재를 1g 취하고 여기에 질산 15ml, 염산(1+1) 70ml 및 유리구 4~ 5개를 넣은 다음 서서히 가열하여 액량이약 5~10ml가 될 때까지 증발 농축하고 방냉한 후 질산 5ml와 과염소산 10ml를 넣고 가열하여 과염소산이 분해되어 백연이 발생할 때 가열을 중단하였다.
대상 데이터
- 가스상으로 존재하는 수은, 비소 등은 흡수액(수은 : 황산 및 과망간산칼륨 용액, 비소 : 수산화나트륨 용액)을 이용하여 채취하였다. 중금속 분석은 대부분 대기오염 공정시험법(환경부, 2002)을 준수하였고 분석시료 전처리는 이산화납 등 난용성 물질을분해시키기 위하여 질산-과산화수소 수법에 따랐다.
- 채취하였다. 시료채취에 사용한 원통형 여과지 (Whatman 2814432)는 110±5℃(배출가스 온도가 110±5℃이상일경우 배출가스온도와 동일)에서 비결합 수분을 완전히 제거하고 데시케이터에서 실온으로 방냉한 후 무게를 측정하여 중금속 분석용으로 사용하였다.
- 한다. 이를 위하여 현재 국내에서 가동 증인 하수슬러지 소각시설 5곳을 대상으로 중금속 배출특성과 매체별 오염물질의 이동특성 등을 조사하였다.
이론/모형
- 중금속 분석은 대부분 대기오염 공정시험법(환경부, 2002)을 준수하였고 분석시료 전처리는 이산화납 등 난용성 물질을분해시키기 위하여 질산-과산화수소 수법에 따랐다.
성능/효과
- 1. 산업폐수가 함유된 D소각시설의 슬러지를 제외한 나머지 소각시설의 슬러지는 해양오염기준과 비료규격을 만족하는 것으로 조사되었으며, 대도시보다는 소도시 지역의 하수슬러지가 중금속함유량이 낮아 하수슬러지에 대한 재활용방안을 적극 모색할 필요가 있을 것으로 판단되었다. 중금속 항목별 평균 함유량은 구리>아연>납>크롬>니켈>카드뮴>수은 순이었으며, 비소는 전체 소각시설의 슬러지 중에서 검출되지 않았다.
- 5종 슬러지 소각재의 중금속함량을 비교할 때 다른 것보다 트히 함량이 많은 것은비산재애서는 A슬러지의 Hg, B슬러지의 Ni, Znf D슬러지의 Cr, Cu, E슬러지의 Cd, Pb이고, 바닥재에서는 A슬러지의 Cd, B슬러지의 Cd, Zn, Hg, D슬러지의 Cr, Ni, Cu, E슬러지의 Pb, Hg이다.
- 따라서 고농도의 중금속 성분을 함유한 하수슬러지는 비료 등으로 재활용하기 어려우므로 소각으로 처리하는 것이 바람직하다고 판단된다. 또한 전단의 중금속 배출농도는하수슬러지 중 중금속 함유량과 비슷한 경향을 나타내어 중금속류는 유기물처럼 소각과정에서 파괴되거나 분해되지 않고 물질 수지가 이동함을 알 수 있었다.
- 소각시설 전단의 중금속 농도는 하수슬러지의 중금속 함량이 맍은 D소각시설이 거의 모든 항목에서 높았고, 방지시설의 중금속 제거율은 As를 제외하고는 대부분 90% 이상 유지되어 후단에서 8가지 중금속 항목이 lmg/nf 미만으로 검출되어 모두 배출허용기준을 만족하는 것으로 나타났다.
- 이 기준에 의하면 B와 E하수슬러지는 농지주입이 가능하고, C와 D하수슬러지는 Cu 함량이 363.183 및 1,285.328 ㎎/㎏-dry 아udge로서 농지주업에 부적합하고 A하수슬러 지는 Pb함량이 113*298㎎/㎏-dry sludge 로서 기준보다는 낮지만 우려할만한 수준 이다.
- 5배 초과 하였으며, As는 모두 검출되지 않았다. 전체 하수슬러지의 중금속 평균 함량은 C u> Zn> Pb> Cr> Ni> Cd> Hg> As 순으로 높게 나타났다.
- 산업폐수가 함유된 D소각시설의 슬러지를 제외한 나머지 소각시설의 슬러지는 해양오염기준과 비료규격을 만족하는 것으로 조사되었으며, 대도시보다는 소도시 지역의 하수슬러지가 중금속함유량이 낮아 하수슬러지에 대한 재활용방안을 적극 모색할 필요가 있을 것으로 판단되었다. 중금속 항목별 평균 함유량은 구리>아연>납>크롬>니켈>카드뮴>수은 순이었으며, 비소는 전체 소각시설의 슬러지 중에서 검출되지 않았다.
- 표 6에 나타낸 것처럼 슬러지 소각시설에 유입되는 중금속류는 하수처리장 규모가 가장 큰 B소각시설의 경우가 3, 243, 448.413kg/day로가장 많았으며, 하수처리장의 규모가 비슷한 C, D소각시설은 공단폐수가 유입되는 D 소각시설이 12배 정도 많은 것으로 나타났다, 슬러지의 중금속류는 소각과정에서 대부분 바닥재와 비산재에 함유되어 배출되는 것으로 드러났다. 이와 같이 슬러지에 함유된 납 등 중금속은 유기물질과는 달리 소각시설에서 완전 파괴 및 분해되지 않고 형태만 바뀐 채 다시 환경 중으로 배출된다.
- 하수슬러지의 Cd함량은 D소각시설을 제외한 나머지 4개 시설 모두 저')2기준 미만 이었고, Cu함량은 제1기준을 3.5배 초과 하였으며, As는 모두 검출되지 않았다. 전체 하수슬러지의 중금속 평균 함량은 C u> Zn> Pb> Cr> Ni> Cd> Hg> As 순으로 높게 나타났다.
- Cr 등 8개 중금속 항목에 대해 방지시설 전.후단에서 측정한 결과 모든 항목이 배출허용기준을 만족하는 것으로 나타났으며, 대부분의 중금속 항목이 lmg/m3 미만으로 검출되었다. 방지시설에서 중금속 평균 제거율은 As를 제외하고는 대부분 90%이상이었다.
후속연구
- 물질수지 산정은 시료의 대표성, 시료 채취 방법, 슬러지와 가스상 농도의 order 차이(약 1000배)에 따른 오차(분석상에서의 작은 오차요인은 mass balance 계산에서 큰 오차를 가져올 수 있음), 슬러지 체류 시간에 따른 오염물질의 죽적, 각 소각로의 시설용량이나 소각특성 등 수많은 요인에 의하여 정확한 물질의 이동을 파악하기는 어려울 것으로 판단되지만 물질수지를 통한 오염물질의 이동 파악은 차후 오염물질 제어에 유효한 자료가 되리라 사료된다.
- 슬러지의 성인, 소각로의 형식이나 운전 방법 등을 정확하게 이해하지 못하고 슬러지 소각재의 중금속함량을 비교하는 것은 매우 어려운 일임을 알 수 있으며, 장기간의 연구와 경험을 통해서 시행착오를 줄일 수 있는 방안이 마련되어야 한다.
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