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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 하수슬러지를 효율적으로 처리하기 위해 굴 폐각을 이용한 무기 탈수보조제를 적용하여 탈수효율을 증진시키고, 탈수공정 적용성과 탈수부산물의 재활용 방안을 수립하고자 하였다. 이를 위해 기본으로 사용되는 Ca2+ 이온을 탈수보조제로 사용했을 경우 및 굴 폐각과 Ca2+ 를 혼합하여 사용했을 경우의 결과를 비교･검토하였다.
- 본 연구는 굴 폐각을 재활용하여 슬러지 감량화를 위한 슬러지 탈수용 무기 탈수보조제를 제조하고 탈수효율을 평가하였다. 실험실 규모의 필터프레스 탈수기를 이용하여 각 조건별로 탈수케익의 함수율, 슬러지 EPS 및 표면분석을 통해 슬러지 감량화에 대한 슬러지 탈수 특성을 도출하였다.
제안 방법
- 각 모드별 탈수케익의 함수율 및 슬러지 EPS 농도를 측정하였으며, 추후 굴 폐각과 혼합을 위한 최적의 Ca2+ 계열의 약품을 선정하였다.
- 건조시킨 굴 폐각의 화학적 성상은 고주파 유도결합플라즈마(Inductively Coupled Plasma, ICP)를 이용하여 분석하였다.
- 굴 폐각 주입에 따른 슬러지 탈수효율을 평가하기 위해 슬러지 농도와 굴 폐각 혼합비율별 탈수케익의 함수율 및 슬러지의 EPS 농도를 측정하였다. 잉여슬러지의 농도는 모든 조건에서 10, 000 mg/L로 동일하게 설정하였으며, 굴 폐각의 주입비율을 모드별로 1:1, 2:1, 3:1, 5:1, 10:1(Oyster shell : Sludge, wt)로 구분하였다.
- 굴 폐각을 단독으로 주입 시 잉여슬러지와의 혼합비율 10:1은 비효율적인 방법으로 판단되어, 굴 폐각과 CaCO3 약품을 혼합한 무기 탈수보조제의 적용성을 평가하였다. Table 8 및 Fig.
- 굴 폐각을 이용한 탈수효율을 평가하기 위해 굴 폐각과 잉여슬러지의 혼합비율을 1:1, 2:1, 3:1, 5:1 및 10:1로 하여 탈수를 진행하였으며, 재현성을 확보하기 위해 혼합비율별로 3회 실험하였다. 잉여슬러지 농도는 10, 000 mg/L이였으며, 무게비율에 따라 탈수량 10 L를 기준으로 굴 폐각 주입량을 100, 200, 300, 500 및 1,000 g씩 혼합하였다.
- 앞선 Ca2+ 계열의 약품 중 최적의 약품을 선정하여 약품, 굴 폐각, 슬러지의 혼합비율에 따른 탈수케익의 함수율과 슬러지 EPS 농도를 분석하였다. 무기 탈수보조제의 혼합비율은 약품과 슬러지를 각각 1.5:1로 고정하였으며, 굴 폐각의 주입량을 변화하며 탈수효율을 평가하였다.
- 실험실 규모의 필터프레스 탈수기를 이용하여 각 조건별로 탈수케익의 함수율, 슬러지 EPS 및 표면분석을 통해 슬러지 감량화에 대한 슬러지 탈수 특성을 도출하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.
- Table 4에 실험조건을 나타내었다. 앞선 Ca2+ 계열의 약품 중 최적의 약품을 선정하여 약품, 굴 폐각, 슬러지의 혼합비율에 따른 탈수케익의 함수율과 슬러지 EPS 농도를 분석하였다. 무기 탈수보조제의 혼합비율은 약품과 슬러지를 각각 1.
- 방안을 수립하고자 하였다. 이를 위해 기본으로 사용되는 Ca2+ 이온을 탈수보조제로 사용했을 경우 및 굴 폐각과 Ca2+ 를 혼합하여 사용했을 경우의 결과를 비교･검토하였다.
- 3회 실험하였다. 잉여슬러지 농도는 10, 000 mg/L이였으며, 무게비율에 따라 탈수량 10 L를 기준으로 굴 폐각 주입량을 100, 200, 300, 500 및 1,000 g씩 혼합하였다. 굴 폐각주입에 따른 탈수케익 함수율 및 EPS 분석결과를 Table 7 및 Fig.
- 농도와 굴 폐각 혼합비율별 탈수케익의 함수율 및 슬러지의 EPS 농도를 측정하였다. 잉여슬러지의 농도는 모든 조건에서 10, 000 mg/L로 동일하게 설정하였으며, 굴 폐각의 주입비율을 모드별로 1:1, 2:1, 3:1, 5:1, 10:1(Oyster shell : Sludge, wt)로 구분하였다. 굴 폐각을 이용한 슬러지탈수효율 평가를 위해 Table 3에 자세한 실험조건을 나타내었다.
- 탈수케익의 함수율 측정은 105℃ 오븐에서 수분이 완전히 제거되도록 48 시간 건조시킨 후 습윤 재료 및 건조 재료의 중량을 측정하여 함수율을 분석하였다(MOE, 2015).
대상 데이터
- Ca2+ 계열 약품과 잉여슬러지 혼합에 따른 탈수효율 평가한 결과를 Table 5 및 Fig. 4에 나타내었으며, Ca2+ 계열 약품으로 Ca(OH)2, CaCO3, CaO, CaCl2를 이용하였다. 탈수케익의 함수율을 비교한 결과 약품 주입비율이 높을수록 함수율이 낮은 것으로 나타났다.
- Ca2+ 계열의 약품으로는 Ca(OH)2, CaO, CaCl2, CaCO3 4 종류를 사용하였다(SAMCHUN Chemical). Choi et al.
- 본 실험에 사용된 굴 폐각은 국내 서해안 지역의 A 양식장에서 가공 후 버려진 폐기물을 수거하여 사용하였다. 굴폐각은 수거한 후 증류수로 세척하여 1차 건조과정을 거쳤으며, 활용도를 높이기 위해 20 μm 이하로 분쇄하였다.
- 잉여슬러지는 경기도 B개인하수처리시설에서 채취하였으며, A2/O 공정에서 SRT 30일 조건으로 폐기된 잉여슬러지 (함수율 90%, 비중 1.02)를 사용하였다.
이론/모형
- Ca2+ 계열 약품 및 굴 폐각 주입에 따른 슬러지 개량 상태를 평가하기 위해 SEM(Scanning Electron Microscope)과 EDX(Energy Dispersive X-ray spectroscopy) 방법을 이용하여 슬러지 표면특성을 평가하였다.
- EPS는 Glucose를 표준물질로 한 Phenol-Sulfuric acid 방법을 사용하여 490 nm에서 흡광도를 측정하였다(Dubois etal., 1956).
성능/효과
- 5까지 탈수케익 내 수분이 존재하고 있는 것을 육안으로도 확인할 수 있었으며(Fig. 8(a), (b)), 굴 폐각 주입 비율이 2 이상 증가할수록 탈수케익이 단단해지고, 완전한 케익 형태로 생성됨을 알 수 있었다(Fig. 8(c), (d), (e)).
- 1) Ca2+ 계열의 약품을 주입하여 탈수케익의 함수율 및 슬러지의 EPS를 분석한 결과 CaCO3가 가장 우수한 탈수효율과 EPS 저감을 보이는 것으로 나타나 무기 탈수보조제 제조를 위한 최적 약품으로 적용이 가능하다.
- 2) Ca2+는 슬러지의 EPS를 감소시켜, 필터프레스 탈수기를 이용한 탈수 시 여과포 내 잔류물의 발생을 억제시키는것으로 나타났으며, 이를 통해 Ca2+ 이 슬러지 탈수효율을 높이는데 중요한 성분임을 알 수 있다.
- 3) 굴 폐각의 조성은 Ca가 약 53.7%로 나타났으며, 굴 폐 각과 잉여슬러지의 혼합비율에 따른 탈수케익의 함수율을 분석한 결과, 굴 폐각의 주입량이 증가할수록 함수율이 감소하는 것을 확인하였다. 이에 따라 굴 폐각이 슬러지 탈수성 증진을 위한 보조제로서 재활용이 가능할 것으로 판단된다.
- 4) 무기 탈수보조제 제조의 경우 CaCO3, 굴 폐각, 잉여슬러지의 최적 혼합비율은 1.5:2.5:1로 나타났으며, 탈수케익의 함수율은 평균 58%로 유기성 폐기물의 복토재 사용기준인 함수율 60% 이하를 만족하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 슬러지 감량화를 위한 탈수 시 굴 폐 각을 재활용한 무기 탈수보조제의 적용이 가능할 것으로 사료된다.
- , 1993). CaCO3 주입량에 따른 EPS 감소량과 상호관계를 도출한 결과 각각 주입조건에서 0.56, 0.43, 0.35, 0.26 mg EPS removal/g CaCO3･L로 나타났으며, 주입량이 증가할수록 g당 제거된 EPS 양은 감소하는 경향을 보였다.
- g/L의 슬러지가 발생하는 것으로 나타났다. 굴 폐각 주입량에 따른 EPS 감소량과 상호관계는 각각 주입조건에서 0.03, 0.05, 0.07, 0.06, 0.07 mg EPS removal/g Oyster shell･L로 나타났으며, 주입량이 증가할수록 g당 제거된 EPS 양은 증가하는 경향을 보여, CaCO3를 적용한 결과와 상이한 결과를 보였다.
- 이에 따라 유기성 폐기물에 대한 복토재 사용기준인 함수율 60% 이하(MOE, 2012)를 만족하기 위해서는 굴 폐각 혼합비율을 10:1로 하여 탈수를 진행하는 것이 바람직할 것으로 판단되나, 굴 폐각 단독으로 사용할 경우 경제적 측면에서 혼합비율 10:1은 비효율적임으로 추가 약품혼합을 통한 무기 탈수보조제의 경제성 확보가 필요할 것으로 사료된다. 또한 굴 폐각 주입에 따른 미생물 체외고분자 물질의 농도를 측정한 결과에서 굴 폐각을 1,000 g 주입한 경우 EPS가 평균 24 mg/L로 초기 잉여슬러지의 EPS 농도 90 mg/L보다 약 73% 감소한 것으로 나타났다. EPS 감소는 굴 폐각의 성분 중 Ca2+ 등 양전하를 띄는 물질이 슬러지 표면에 생물흡착 되어 감소한 것으로 판단된다.
- 또한 실험결과를 통해서 굴 폐각 주입양이 증가할수록 탈수케익의 함수율이 점차 감소하는 경향을 확인할 수 있었다. Lee(2000)의 연구에서 굴 폐각 내 존재하는 칼슘이온을 이용한 정수슬러지의 탈수효율을 평가한 결과 굴 폐각 주입량 증가에 따라 슬러지 개량 및 탈수효율이 증가한다고 보고하고 있다.
- 5:1(CaCO3 : Oyster shell : Sludge)에서 탈수케익의 함수율이 58%로 나타났다. 무기 탈수보조제주입에 따른 탈수케익 생성 과정을 확인한 결과 굴 폐 각의 주입 비율 1.5까지 탈수케익 내 수분이 존재하고 있는 것을 육안으로도 확인할 수 있었으며(Fig. 8(a), (b)), 굴 폐각 주입 비율이 2 이상 증가할수록 탈수케익이 단단해지고, 완전한 케익 형태로 생성됨을 알 수 있었다(Fig.
- 결과를 Table 6에 나타내었다. 분석 결과 SiO2, Al3O3, Fe2O3, MnO, CaO, CaCO3, Na2O, K2O, TiO2, P2O5 등 다양한 화합물로 구성되어 있으며, 이 중 CaO와 CaCO3가 각각 15.2, 38.5%로써 Ca 화합물이 전체 53.7%로 분석되어 기타화합물에 비해 높게 나타난 것으로 확인되었다. Moon(2000) 연구에서는 분말 굴 껍질의 금속성분을 ICP를 이용하여 분석한 결과 칼슘성분을 비롯한 마그네슘 및 나트륨이 다량 함유되어 있어 알칼리성 금속에 의한 개량제로서 적용성이 가능하다고 보고하고 있다.
- 실험 결과, 굴 폐각과 잉여슬러지의 혼합비율을 10:1로 하였을 경우 탈수케익의 함수율이 약 53~60%로 나타났다. 이에 따라 유기성 폐기물에 대한 복토재 사용기준인 함수율 60% 이하(MOE, 2012)를 만족하기 위해서는 굴 폐각 혼합비율을 10:1로 하여 탈수를 진행하는 것이 바람직할 것으로 판단되나, 굴 폐각 단독으로 사용할 경우 경제적 측면에서 혼합비율 10:1은 비효율적임으로 추가 약품혼합을 통한 무기 탈수보조제의 경제성 확보가 필요할 것으로 사료된다.
- 또한 약품 중에서는 CaCO3를 주입하여 탈수를 진행한 결과 함수율이 각각 64, 61, 58 및 54%로 분석되었으며, 특히 잉여슬러지와 혼합비율 2:1, 3:1 조건에서 유기성 폐기물에 대한 복토재 사용기준인 함수율 60% 이하를 만족하는 것으로 나타났다(MOE, 2012). 약품 주입에 따른 미생물 체외고분자 물질을 측정한 결과, 3:1(Chemical : Sludge) 조건에서 초기 잉여슬러지의 EPS 농도는 88 mg/L를 나타냈으며, Ca(OH)2, CaO, CaCl2 및 CaCO3 약품 주입량이 증가할수록 EPS 농도가 22, 19, 24 및 11 mg/L로 감소하는 것을 확인하였다. 탈수케익 함수율 및 슬러지 EPS 저감에서 가장 효율적인 약품으로 확인된 CaCO3 의 주입 시 SEM과 EDX 분석을 통해 Ca2+ 이 주입되면서 슬러지 표면의 Ca 함량이 확연하게 증가하는 것으로 나타났다 (Fig.
- , 2004). 이에 따라 슬러지 개량을 위한 탈수 시 탈수케익의 함수율을 줄이기 위해서는 탈수보조제의 성분 중 Ca가 매우 중요한 역할을 하는 것으로 판단되며, 본 연구를 통해 무기 탈수보조제의 최적혼합 비율은 CaCO3 1.5, 굴 폐각 2.5, Sludge 1로 도출되었다.
- 약품 주입에 따른 미생물 체외고분자 물질을 측정한 결과, 3:1(Chemical : Sludge) 조건에서 초기 잉여슬러지의 EPS 농도는 88 mg/L를 나타냈으며, Ca(OH)2, CaO, CaCl2 및 CaCO3 약품 주입량이 증가할수록 EPS 농도가 22, 19, 24 및 11 mg/L로 감소하는 것을 확인하였다. 탈수케익 함수율 및 슬러지 EPS 저감에서 가장 효율적인 약품으로 확인된 CaCO3 의 주입 시 SEM과 EDX 분석을 통해 Ca2+ 이 주입되면서 슬러지 표면의 Ca 함량이 확연하게 증가하는 것으로 나타났다 (Fig. 5). 이는 미생물의 플록구조가 음전하를 띄고 있으며,
- 4에 나타내었으며, Ca2+ 계열 약품으로 Ca(OH)2, CaCO3, CaO, CaCl2를 이용하였다. 탈수케익의 함수율을 비교한 결과 약품 주입비율이 높을수록 함수율이 낮은 것으로 나타났다. 또한 약품 중에서는 CaCO3를 주입하여 탈수를 진행한 결과 함수율이 각각 64, 61, 58 및 54%로 분석되었으며, 특히 잉여슬러지와 혼합비율 2:1, 3:1 조건에서 유기성 폐기물에 대한 복토재 사용기준인 함수율 60% 이하를 만족하는 것으로 나타났다(MOE, 2012).
후속연구
- 5) 무기 탈수보조제가 적용된 탈수케익은 향후 매립시설의 복토용 또는 토지개량제 등으로 사용이 가능할 것으로 예상되나, 향후 굴 폐각에 포함될 수 있는 중금속 성분에 대한 영향이 수반된 연구가 추가로 필요할 것이다.
- 5:1로 나타났으며, 탈수케익의 함수율은 평균 58%로 유기성 폐기물의 복토재 사용기준인 함수율 60% 이하를 만족하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 슬러지 감량화를 위한 탈수 시 굴 폐 각을 재활용한 무기 탈수보조제의 적용이 가능할 것으로 사료된다.
- 7%로 나타났으며, 굴 폐 각과 잉여슬러지의 혼합비율에 따른 탈수케익의 함수율을 분석한 결과, 굴 폐각의 주입량이 증가할수록 함수율이 감소하는 것을 확인하였다. 이에 따라 굴 폐각이 슬러지 탈수성 증진을 위한 보조제로서 재활용이 가능할 것으로 판단된다.
- 나타났다. 이에 따라 유기성 폐기물에 대한 복토재 사용기준인 함수율 60% 이하(MOE, 2012)를 만족하기 위해서는 굴 폐각 혼합비율을 10:1로 하여 탈수를 진행하는 것이 바람직할 것으로 판단되나, 굴 폐각 단독으로 사용할 경우 경제적 측면에서 혼합비율 10:1은 비효율적임으로 추가 약품혼합을 통한 무기 탈수보조제의 경제성 확보가 필요할 것으로 사료된다. 또한 굴 폐각 주입에 따른 미생물 체외고분자 물질의 농도를 측정한 결과에서 굴 폐각을 1,000 g 주입한 경우 EPS가 평균 24 mg/L로 초기 잉여슬러지의 EPS 농도 90 mg/L보다 약 73% 감소한 것으로 나타났다.
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