[논문]열화학적 방법에 의한 하수 슬러지 소각재에서의 인 회수 기술 동향

전슬기; 신현아; 김동진

doi:10.7464/ksct.2018.24.2.087

열화학적 방법에 의한 하수 슬러지 소각재에서의 인 회수 기술 동향
Trends of Thermochemical Technology for the Recovery of Phosphorus from Sewage Sludge Ash 원문보기

청정기술 = Clean technology, v.24 no.2, 2018년, pp.87 - 98

전슬기 (한림대학교 환경생명공학과.에너지환경연구소) , 신현아 (한림대학교 환경생명공학과.에너지환경연구소) , 김동진 (한림대학교 환경생명공학과.에너지환경연구소)

초록
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인은 모든 생명체 유지에 필수적이며 대체 불가능한 원소로서 비료로 많이 이용되고 있다. 그러나 인 자원은 100년 이내에 고갈될 것으로 예상되고 있다. 슬러지 소각재는 인 함량이 높아 인 회수를 위한 대체 자원으로 알려져 있다. 그러나 소각재는 중금속과 인의 낮은 생물이용 가능성으로 인해 비료로 직접 사용할 수 없다. 염소 공여체를 이용한 열화학적 처리는 소각재의 중금속 함량을 낮추고 인의 생물이용 가능성을 높인다고 알려져 있다. 본 총설은 소각재의 중금속 감소와 생물이용 가능성 향상을 위한 열화학적 처리에 의 한 최신 인 회수 기술과 향후 인 회수를 위한 연구 전략을 세우기 위한 것이다. 그 결과 $CaCl_2$와 $MgCl_2$가 가장 효과적인 염소 공여체이며 반응온도(< $1000^{\circ}C$) 가 중금속 감소에 가장 중요한 운전 요소였다. 중금속 제거율은 원소에 따라 다르다. 열화학적인 슬러지 처리기술은 소각재에서 인 회수를 위한 상업적 응용이 곧 가능해지리라 사료되며 인 고갈에 의한 인류의 지속가능성 위기 극복에 큰 기여를 할 것이다. 향후 비용절감과 에너지 소비를 줄이는 환경 친화적 공정 개발이 필요하다.

Abstract ▼ AI-Helper

Phosphorus (P) is an essential and irreplaceable element for all living organisms, and it is widely used as a fertilizer. Unfortunately, it is estimated that phosphate reservoir is depleted within about 100 years. Sewage sludge ash (SSA) is an alternative resource for P recovery because of its high P content. However, SSA cannot be directly used as a fertilizer due to heavy metals in it and low P bioavailability. Thermochemical treatment with Cl donor is known to reduce heavy metal contents and increase P bioavailability of SSA. Literature review on thermochemical technologies of SSA for the reduction of heavy metals and bioavailability enhancement has been carried out to estimate the status of current P recovery technology and to develop strategic future research plan for P recovery. The review showed that $CaCl_2$ and $MgCl_2$ were the most effective Cl donors and reaction temperature (< $1000^{\circ}C$) was the critical operation condition for the reduction. The removal efficiency depends on the species of heavy metals. Thermochemical technology of SSA for P recovery showed the possibility of commercial application in the near future to overcome the coming crisis of human sustainability by P depletion, but it needs cost effectiveness and more ecofriendly process to reduce energy consumption.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

열화학적 방법은 rotary kiln reactor 등을 이용하여 1,000 ℃ 정도의 고온에서 중금속을 염소와 반응시켜 휘발시켜 제거하고 인을 회수하는 방법이다. 본 논문에서는 SSA를 처리하여 인을 회수하는 방법 중 열화학적 처리방법의 기본 원리와 염소 공여체의 종류 및 다양한 운전변수가 SSA에서 중금속 제거에 미치는 영향에 대해 발표된 논문을 중심으로 이 기술의 특성과 개발 동향에 대하여 조사하였다. 또한 SSA의 열화학적 처리 시 인 화합물의 생물 이용가능성(bioavailability) 변화와 SSA를 비료로 재이용하기 위해 가장 효과적인 열화학적 처리방법과 효과를 문헌연구를 통해 도출하였다.
열화학적 처리를 통해 하수 슬러지 소각재(SSA)로부터 인을 회수하는 기술 중에서 특히 SSA에 함유된 중금속 제거와 인의 생물 이용 가능성을 향상시키는 기술 현황 및 동향에 대해 조사하였다. SSA의 열화학적 처리에서 처리 온도와 염소 공여체의 종류가 인 회수에 영향이 큰 것으로 나타났다.

가설 설정

인의 화학 분획은 사용하는 인 용출 용매에 따라 HClO₄, BD-P, NaOH-P, HCl-P, Res-P로 나눌 수 있다. HClO₄, BD-P는 바로 이용 가능한 형태의 인으로 물에서 쉽게 용출된다. NaOH-P는 Al/Fe와 결합한 인을 나타내고, HCl-P는 Ca/Mg와 결합한 형태의 인을 의미한다.

제안 방법

본 논문에서는 SSA를 처리하여 인을 회수하는 방법 중 열화학적 처리방법의 기본 원리와 염소 공여체의 종류 및 다양한 운전변수가 SSA에서 중금속 제거에 미치는 영향에 대해 발표된 논문을 중심으로 이 기술의 특성과 개발 동향에 대하여 조사하였다. 또한 SSA의 열화학적 처리 시 인 화합물의 생물 이용가능성(bioavailability) 변화와 SSA를 비료로 재이용하기 위해 가장 효과적인 열화학적 처리방법과 효과를 문헌연구를 통해 도출하였다.
인 화합물의 생물 이용 가능성은 순차적 화학 용출(분획)을 통해서도 확인할 수 있다. 앞에서 설명한 바와 같이 인의 화학 분획은 사용하는 인 용출 용매에 따라 여러가지로 나눌 수 있지만 본 연구에서는 NH₄Cl-P, BD-P, NaOH-P, HCl-P, Res-P로 분류하였다. 여기서 NH₄Cl-P, BD-P는 수용성으로 바로 이용 가능하며, NaOH-P는 Al/Fe와 결합한 인, HCl-P는 Ca/Mg와 결합한 형태의 인이다.

이론/모형

SSA 열화학적 처리 전후의 생물 이용 가능성은 Directive 77/535/EEC method 3.1.3에 따라 2% citric acid를 이용한 용해도에 따라 평가하였다. 먼저 L/S (liquid (mL)/solid (g)) 비를 100으로 하여 35-40 rpm으로 30분간 교반한 뒤 즉시 여과하여 상등액의 인 함량을 측정하여 고형물로 투입된 인 대비 용해된 인의 양으로부터 생물 이용 가능성을 구한다.

성능/효과

열화학적 처리를 통해 하수 슬러지 소각재(SSA)로부터 인을 회수하는 기술 중에서 특히 SSA에 함유된 중금속 제거와 인의 생물 이용 가능성을 향상시키는 기술 현황 및 동향에 대해 조사하였다. SSA의 열화학적 처리에서 처리 온도와 염소 공여체의 종류가 인 회수에 영향이 큰 것으로 나타났다. 또한 열화학적 처리시 인 화합물의 변화와 인 화합물에 대한 생물 이용 가능성을 평가한 결과 가장 효율적인 염소 공여체는 MgCl₂와 CaCl₂ 였으며 중금속 제거 및 생물 이용 가능성 향상 측면에서 높은 효율을 보였다.
SSA의 열화학적 처리에서 처리 온도와 염소 공여체의 종류가 인 회수에 영향이 큰 것으로 나타났다. 또한 열화학적 처리시 인 화합물의 변화와 인 화합물에 대한 생물 이용 가능성을 평가한 결과 가장 효율적인 염소 공여체는 MgCl₂와 CaCl₂ 였으며 중금속 제거 및 생물 이용 가능성 향상 측면에서 높은 효율을 보였다. 따라서 염소 공여에 의한 열화학적 처리는 SSA로부터 인을 회수하는데 적절한 방법의 하나인 것으로 판단된다.

후속연구

SSA의 열화학적 처리기술에 대해서는 효과적인 염소 공여체와 SSA kg 당 투입되는 염소 공여체의 양을 얼마나 줄일 수 있는지도 상용화의 중요한 관건이 된다. 또한 슬러지 소각 단계에서 중금속을 소각재와 분리하는 방법과 생물 이용 가능성을 높이기 위해 소각 단계에서 Ca나 Mg를 투입하여 추가적인 열에너지 소비를 줄이는 방법 등에 대한 연구가 요구된다.
따라서 염소 공여에 의한 열화학적 처리는 SSA로부터 인을 회수하는데 적절한 방법의 하나인 것으로 판단된다. 앞으로 처리 비용면에서 경쟁력 있고 환경친화적인 기술개발이 요구되며 이는 향후 인광석 고갈에 대비하여 인의 재활용에 폭넓게 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	peak phosphorus란 무엇인가?	인 생산량은 ‘static paradigm’에 의해 현시점에서 어느 지점까지 최대치에 도달하였다가 천천히 감소할 것으로 예상되는데 이를 ‘peak phosphorus’라 한다. Peak phosphorus의 계산은 인광석 매장량의 추정치를 기반으로 Global Phosphorus Research Initiative (GPRI)에 의해 계산되고.
	퇴비화와 에너지 회수 방법의 문제점은 무엇인가?	에너지 회수방법은 3,000~5,000 kcal kg-1의 발열량을 갖는 탈수 슬러지를 주로 발전 및 난방용 연료로 사용하는 방법이다. 하지만 이러한 방법들을 슬러지에 유해물질이 존재할 경우 퇴비화 후에도 유해물질이 잔류할 가능성이 높고, 연료로 이용할 경우에는 배가스로 유해물질이 배출될 우려가 높다.
	인(Phosphorus, P)의 생물학적 중요성은 무엇인가?	인(Phosphorus, P)은 살아있는 모든 생물에게 없어서는 안될 필수적인 원소로 핵산(DNA, RNA)을 구성하고 생물의 에너지 및 생화학적 대사에 이용된다[1-4]. 그리고 인은 다른 원소로 대체할 수 없는 특성을 지니고 있다.

참고문헌 (44)

Li, R., Zhao, W., Li, Y., Wang, W., and Zhu, Z., "Heavy Metal Removal and Speciation Transformation through the Calcination Treatment of Phosphorus-Enriched Sewage Sludge Ash," J. Hazard. Mater., 283, 423-431 (2015).

상세보기
Vogel, C., and Adam, C., "Heavy Metal Removal from Sewage Sludge Ash by Thermochemical Treatment with Gaseous Hydrochloric Acid," Environ. Sci. Technol., 45, 7445-7450 (2011).

상세보기
Vogel, C., Adam, C., and McNaughorn, D., "Determination of Phosphate Phases in Sewage Sludge Ash-Based Fertilizers by Raman Microspectroscopy," Appl. Spectrosc., 67, 1101-1105 (2013a).

상세보기
Vogel, C., Adam, C., Sekine, R., Schiller, T., and Lipiec, E., "Determination of Phosphorus Fertilizer Soil Reaction for Raman and Synchrotron Infrared Microspectroscopy," Appl. Spectrosc., 67, 1165-1170 (2013b).

상세보기
US Geological Survey Mineral Commodity Summaries: Global Phosphate Production in 2010 (2012).
Donatello, S., and Cheeseman, C. R., "Recycling and Recovery Routes for Incinerated Sewage Sludge Ash (ISSA): A Review," Waste Manage., 33, 2328-2340 (2013).

상세보기
Copper, J., Lombardi, R., Boardman, D., and Marquet, C. C., "The Future Distribution and Production of Global Phosphate Rock Reserves," Resour. Conserv. Recycl., 57, 78-86 (2011).

상세보기
Ridder M. D., Jong S. D., Polchar J., and Ligemann S., Risks and Opportunities in the Global Phosphate Rock Market, De Swart B.V., Netherlands. 22-26 (2012).
Sewage Information System of Korea, Occurrence and disposal status of sewage sludge. https://www.hasudoinfo.or.kr/stat/statView.do?year2014&page07 (June 23, 2016).
Liu, Z., Qian, G., Sun, Y., Xu, R., Zhou, J., and Xu, Y., "Speciation Evolutions of Heavy Metals during the Sewage Sludge Incineration in A Laboratory Scale Incinerator," Energy Fuels, 24, 2470-2478 (2010).

상세보기
Nowak, B., Rocha, S. F., Aschenbrenner, P., Rechberger, H., and Winter, F., "Heavy Metal Removal from MSW Fly Ash by Means of Chlorination and Thermal Treatment: Influence of Chloride Type," Chem. Eng. J., 179, 178-185 (2012).

상세보기
Nowak, B., Wegerer, H., Aschenbrenner, P., Rechberger, H., and Winter, F., "Sewage Sludge Ash to Phosphate Fertilizer by Chlorination and Thermal Treatment: Residence Time Requirements for Heavy Metal Removal," Environ. Technol., 1, 1-7 (2012).
Pavlik, Z., Fort, J., Zaleska, M., Pavlikova, M., Trnik, A., Medved, I., Keppert, M., Koutsoukos, P. G., and Cerny, R., "Energy Efficient Thermal Treatment of Sewage Sludge for Its Application in Blended Cement," J. Clean. Prod., 112, 409-419 (2016).

상세보기
Ministry of Environment of Korea, Development of Construction Materials and Concrete from Wastewater Sludge, 082-061-047, 8-12 (2007).
Petzet, S., Peplinski, S., Bodkhe, Y., and Cornel, P., "Recovery of Phosphorus and Aluminum from Sewage Sludge Ash by a New Wet Chemical Elution Process (SESAL-Phos-recovery Process)," Wat. Sci. Technol., 64, 693-699 (2011).

상세보기
Battsooj, M., B., Lee, M., and Kim, D.-J., "Characteristics of Phosphorus Leaching from Sewage Sludge Ash by Acid and Alkali," J. Korean Soc. Wat. Wastewater, 30, 571-577 (2016).

원문보기 상세보기
Yusuf, R. O., Noon, Z. Z., Moh'd din, M. F., Abba, A. A., Othman, N., and Hassan, H., "A Review of the use of Sewage Sludge Ash (SSA) in the Production of Cement and Concrete," International Conference Environment. Universiti Sains, Pahang, Malaysia (2010).
Liu, J., and Huang, L., "Heavy Metal Removal from MSS Fly Ash by Thermal and Chlorination Treatments," Sci. Rep., 5(17270), 1-14 (2015).
Herzel, H., Kruger, O., Hermann, L., and Adam, C., "Sewage Sludge Ash - A Promising Secondary Phosphorus Source for Fertilizer Production," Sci. Total Environ., 542, 1136-1143 (2016).

상세보기
Mattenberger, H., Fraissler, G., Brunner, T., Herk, P., Hermann, L., and Obernberger, I., "Sewage Sludge Ash to Phosphorus Fertilizer: Variables Influencing Heavy Metal Removal during Thermochemical Treatment," Waste Manage., 28, 2709-2722 (2008).

상세보기
Stenmann, J., Peplinski, B., and Adam, C., "Thermochemical Treatment of Sewage Sludge Ash with Sodium Salt Additives for Phosphorus Fertilizer Production - Analysis of Underlying Chemical Reaction," Waste Manage., 45, 385-390 (2015).

상세보기
Adam, C., Peplinski, B., Michaelis, M., Kley, G., and Simon, F.-G., "Thermochemical Treatment of Sewage Sludge Ashes for Phosphorus Recovery," Waste Manage., 29, 1122-1128 (2009).

상세보기
Peplinski, B., Adam, C., Michaelis, M., and Kley, G., "Reaction Sequences in the Thermo-Chemical Treatment of Sewages Sludge Ashes Revealed by X-ray Powder Diffraction - A Contribution to the European Project SUSAN," Z. Kristallogr. Suppl., 30, 459-464 (2009).
Vogel, C., Adam, C., and Unger, M., "Heavy Metal Removal from Sewage Sludge Ash Analyzed by Thermogravimetry," J. Therm. Anal. Calorim., 103, 243-248 (2011).

상세보기
Vogel, C., Exner, R. M., and Adam, C., "Heavy Metal Removal form Sewage Sludge Ash by Thermochemical Treatment with Polyvinylchloride," Environ. Sci. Technol., 47, 563-567 (2012).
Magdziarz, A., Wilk, M., Gajek, M., Dorota, N. W., Kopia, A., Agnieszka, K. R., and Kozinski, J. A., "Properties of Ash Generated during Sewage Sludge Combination: A Multi-Faced Analysis," Energy, 113, 85-94 (2016).

상세보기
Olila, O. G., Reddy, K. R., and Harris, W. G., "Forms and Distribution of Inorganic Phosphorus in Sediments of Two Shallow Eutrophic Lakes in Florida," Hydrobiologia, 302, 147-161 (1995).

상세보기
Wang, Q., Li, Y., and Ouyang, Y., "Phosphorus Fractionation and Distribution in Sediments from Wetlands and Canals of a Water Conservation Area in the Florida Everglades," Water Resour. Res., 47, 1-11 (2011).

상세보기
Xu, H., Zhang, H., Shao, L., and He, P., "Fraction Distributions of Phosphorus in Sewage Sludge And Sludge Ash," Waste Biomass Valor., 3, 355-361 (2012).

상세보기
Gao, X., Chen, T. A. C., Wang, G., Xue, Q., Tang, C., and Chen, S., "Environmental Status of Daya Bay Surface Sediments Inferred from a Sequential Extraction Technique," Estuar. Coast. Shelf Sci., 86, 369-378 (2010).

상세보기
Abanades, S., Flamant, G., Gagnepain, B., and Gauthier, D., "Fate of Heavy Metals during Municipal Solid Waste Incineration," Waste Manage. Res., 20, 55-68 (2002).

상세보기
Chris, C. Y., and Kirk, D. W., "Behaviour of Metals Under the Condition of Roasting MSW Incinerator Fly Ash with Chlorinating Agents," J. Hazard. Mater., 64, 75-89 (1999).

상세보기
Han, J., Xu, M., Yao, H., Furuuchi, M., Sakano, T., and Kim, H. J., "Influence of Calcium Chloride on the Thermal Behavior of Heavy and Alkali Metals in Sewage Sludge Incineration," Waste Manage., 27, 833-839 (2008).
Yaws, C. L., The Yaws Handbook of Vapor Pressure: Antoine coefficients. (2015).
Fraissler, G., Joller, M., Mattenberger, H., Brunner, T., and Obernberger, I., "Thermodynamic Equilibrium Calculations Concerning the Removal of Heavy Metals from Sewage Sludge Ash by Chlorination," Chem. Eng. Prog., 48, 152-164 (2009).

상세보기
Liu, J., Fu, J., Ning, X., Sun, S., Wang, Y., Xie, W., Huang, S., and Zhong, S., "An Experimental and Thermodynamic Equilibrium Investigation of the Pb, Zn, Cr, Cu, Mn and Ni Partitioning during Sewage Sludge Incineration," J. Environ. Sci., 35, 43-54 (2015).

상세보기
Nowak, B., Aschenbrenner, P., and Winter, F., "Heavy Metal Removal from Sewage Sludge Ash and Municipal Solid Waste Fly Ash - A Comparison," Fuel Proc. Technol., 105, 195-201 (2013).

상세보기
Adam, C., Kley, G., and Simon, F. G., "Thermal Treatment of Municipal Sewage Sludge Aiming at Marketable P-fertilizer," Mater. Trans., 48, 3056-3061 (2007).

상세보기
Nowak, B., Perutka, L., Asxhenbrenner, P., Fraus, P., Rechberger, H., and Winter, F., "Limitation for Heavy Metal Release during Thermo-Chemical Treatment of Sewage Sludge Ash," Waste Manage., 31, 1285-1291 (2011).

상세보기
Nowak, B., Pessl, A., Aschenbrenner, P., Szentannai, P., Mattenberger, H., Rechberger, G., Hermann, L., and Winter, F., "Heavy Metal Removal from Municipal Solid Waste Fly Ash by Chlorination and Thermal Treatment," J. Hazard. Mater., 179, 323-331 (2010).

상세보기
Jeon, S., and Kim, D.-J., "Enhanced Phosphorus Bioavailability and Heavy Metal Removal from Sewage Sludge Ash through Thermochemical Treatment with Chlorine Donors," J. Ind. Eng. Chem., 58, 216-221 (2018).

상세보기
Lin, K. L., Chiang, K. Y., and Lin, D. F., "Effect of Heating Temperature on the Sintering Characteristics of Sewage Sludge Ash," J. Hazard. Mater., 128, 175-181 (2006).

상세보기
Zhang, Y., Chen, Y., Meng, A., Li, Q., and Cheng, H., "Experimental and Thermodynamic Investigation on Transfer of Cadmium Influenced by Sulfur and Chlorine during Municipal Solid Waste (MSW) Incineration," J. Hazard. Mater., 153, 309-319 (2008).

상세보기
Kirk, D. W., Chan, C. C. Y., and Marsh, H., "Chromium Behavior During Thermal Treatment of MSW Fly Ash," J. Hazard. Mater., B90, 39-49 (2002).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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