KR100793164B1 - 유기산을 이용한 슬러지 내 중금속 추출방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유기산을 하수 슬러지에 혼합시켜 중금속을 추출하고, 추출된 중금속은 응집 공정을 통해 분리 제거할 수 있도록 구성된 유기산을 이용한 슬러지 내 중금속 추출방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

중금속이 함유된 하수 슬러지에 0.1 ~ 0.5 몰 농도를 가진 옥살레이트(Oxalate) 또는 시트레이트(Sitrate) 중 하나의 유기산을 혼합하는 단계(10); 상기 하수 슬러지 내에 함유된 중금속을 혼합된 유기산 내로 액상의 용해 상태로 추출하는 단계(20); 추출된 유기산 내의 중금속을 응집 반응을 통해 탈수 케익 형태로 분리하여 제거하는 단계(30)로 이루어진다. 이 때, 상기 유기산은 0.1 ~ 0.5 몰 농도의 옥살레이트(Oxalate) 또는 시트레이트(Sitrate) 중 하나인 것이 바람직하다.

하수 슬러지, 중금속, 유기산, 추출 공정

Description

유기산을 이용한 슬러지 내 중금속 추출방법{Method for extracting heavy metals from sludge with organic acids}

도1은 본 발명에 따른 중금속 추출공정을 나타낸 개략도.

※도면의 주요부분에 대한 부호의 설명※

10: 슬러지/유기산 혼합공정 20: 슬러지/유기산 분리공정

30: 중금속 분리공정

본 발명은 유기산을 이용한 슬러지 내 중금속 추출방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 일정 농도의 유기산을 일정 시간 동안 슬러지와 혼합시키고, 이를 분리 공정으로 이송시킨 후에 추출된 중금속을 응집 공정을 통해 분리 제거하는 방법에 관한 것이다.

하수 슬러지를 퇴비나 토양 개량제 등으로 재활용하기 위해서는 농림부에서 제시하고 있는 퇴비 원료 기준에 하수 슬러지의 중금속 농도가 반드시 부합되어야 한다. 이를 위해 개발된 하수 슬러지 내 중금속을 제거하는 방법에 관한 몇 가지 종래기술을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 대한민국 공개특허 제2000-0067053호에는 전기동력에 의해 슬러지에서 유해 중금속 제거방법이 게시되어 있다. 이 기술은 이전에 하ㆍ폐수 내에 존재하는 유해 중금속들을 물리ㆍ화학적인 방법으로 제거하거나 미생물을 이용해 슬러지를 개량하는 기술들을 대신해 전기 동력을 이용한 중금속 제거기술을 개선하여 슬러지에 적용함으로써 경제적이고 환경 친화적인 하ㆍ폐수 슬러지의 개량을 위한 것으로, 중금속을 함유한 슬러지가 투입된 슬러지셀에 전원공급장치를 통해 전류를 공급하면서 0.001∼0.05N 농도의 산성용액을 양극세척용액으로 하고, 음극 전해질 용액을 산성용액으로 하여 슬러지로부터 중금속을 제거할 수 있도록 하였다.

또 다른 종래기술로서 대한민국 공개특허 제2002-0093732호에 무기산을 이용한 슬러지 내 중금속 추출방법이 게시되어 있다. 이 기술은 슬러지와 무기산을 촉매제와 적정한 온도, 압력, 시간의 반응조건으로 반응시켜 슬러지의 유기물질을 분해하고 함유되어 있는 중금속을 액체의 용해상태로 추출하는 것으로서, 이 반응과정에서 발생되는 고체와 액체의 혼합물 중 액체는 함유된 중금속의 종류에 따라 황화합물이나 수산화합물로 선택적 또는 순차적인 응집공정을 거쳐 탈수 케익으로 제거하고, 유기물질의 산분해에 따라 생성된 아미노산을 함유한 액체는 최종 중화 후 기존 하수처리장의 미생물 증식 영양원으로 재활용할 수 있도록 한 것이다.

그러나, 이러한 종래의 하 · 폐수 슬러지 내 중금속 제거방법을 적용하여도 현재 배출되고 있는 국내의 하수 슬러지는 높은 중금속 농도를 나타내어 농림부에서 제시한 퇴비원료 기준을 맞추기 못하고 있어 더욱 효과적인 하수 슬러지 내 중금속 제거방법의 개발이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 이러한 요구를 충족시키기 위하여 개발된 것으로, 종래에 미생물, 무기산, 전기 동력 등을 이용한 것과 달리 유기산을 새로운 추출제로 사용하여 하수 슬러지에 혼합하고, 추출된 중금속을 응집 공정을 통해 탈수 케익으로 제거하며, 중금속이 제거한 유기산은 재활용할 수 있도록 발명된 유기산을 이용한 슬러지 내 중금속 추출방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유기산을 이용한 슬러지 내 중금속 추출방법은, 중금속이 함유된 하수 슬러지에 0.1 ~ 0.5 몰 농도를 가진 옥살레이트(Oxalate) 또는 시트레이트(Sitrate) 중 하나의 유기산을 혼합하는 단계(10); 상기 하수 슬러지 내에 함유된 중금속을 혼합된 유기산 내로 액상의 용해 상태로 추출하는 단계; 추출된 유기산 내의 중금속을 응집 반응을 통해 탈수 케익 형태로 분리하여 제거하는 단계로 이루어진다.

삭제

또한, 상기 중금속 제거단계는 중금속이 제거된 유기산을 상기 하수 슬러지에 재사용하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

이하에서 첨부된 도1을 참조로 본 발명에 따른 유기산을 이용한 하수 슬러지 내 중금속 추출방법을 보다 상세히 설명한다.

본 발명은 크게 하수 슬러지에 유기산을 혼합하는 단계(10), 하수 슬러지 내 중금속을 유기산 내로 추출하는 단계(20), 유기산으로부터 중금속을 분리하는 단 계(40)로 구성된다.

상기 혼합 단계(10)는 하수 슬러지/유기산의 혼합 공정으로 하수 슬러지에 일정 농도의 유기산을 공급하여 충분히 혼합시킨다. 이 때, 유기산은 하수 슬러지 내에 함유된 아연(Zn), 수은(Ag), 니켈(Ni) 및 카드뮴(Cd)과 같은 중금속을 추출하는 유기용매 역할을 한다.

이 혼합 단계(10)는 혼합조와 같은 별도의 설비 내에서 이루어지고 하수 슬러지의 온도, 폐하 등에 따라 추출 효과가 달라지므로, 해당 하수 슬러지의 폐하, 온도와 같은 조건을 고려하여 최적의 유기산을 선택하여 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명에 따르면 중금속 추출 효과가 있는 것으로 널리 알려진 유기 용매 중에서 하수 슬러지에 포함된 중금속인 아연, 수은, 니켈, 카드뮴 등에 대한 추출 효과를 고려하여 옥살레이트(Oxalate) 또는 시트레이트(Sitrate)를 선택하여 사용하였다.

또한, 본 발명에서는 상기 옥살레이트 또는 시트레이트 중 선택된 하나를 0.1 ~ 0.5 몰 농도로 혼합하는 것이 바람직하다. 상기 유기산을 0.1 몰 농도 미만으로 혼합하면 중금속 추출 효과가 미미하여 본 발명에서 기대하는 목적을 달성할 수 없고, 0.5 몰 농도를 초과하면 중금속 추출 효과가 포화되므로 경제성이 저하된다.

상기 추출 단계(20)는 유기산과 중금속 간의 전기적 인력에 의해 일어난다. 즉, 옥살레이트와 시트레이트와 같은 유기산은 물에 용해되어 음이온이 되는 반면 하수 슬러지 내에 함유된 중금속은 양이온 상태로 존재하므로 음이온과 양이온 간의 전기적 인력이 작용하게 되고, 이러한 원리에 의해 하수 슬러지에 함유된 중금속이 액상의 용해 상태로 유기산 내로 추출된다.

슬러지 내에 함유된 중금속에 대한 유기산으로의 추출 공정이 완료되면, 슬러지와 유기산을 재분리한다. 이 분리 공정은 일반적인 탈수 공정을 통해 이루어진다. 탈수 공정을 통해 회수된 정화 슬러지는 농림부에서 제시한 퇴비원료 기준에 적합하기 때문에 퇴비나 토양 개량제로서 재활용될 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따른 정화 슬러지를 사용하면 종래의 슬러지 퇴비를 수목/잔디 등에 장시간 사용할 경우 발생할 수 있는 토양/식물의 중금속 축적 및 2차 오염까지 효과적으로 방지할 수 있다.

한편, 상기 탈수 공정을 통해 분리된 중금속이 함유된 유기산은 마지막 단계인 중금속 분리공정으로 보내진다.

상기 분리 단계(30)는 유기산 내에 응집제를 투입하여 중금속을 탈수 케익 형태로 만들어 분리 제거한다. 상기 응집제로서는 설퍼(Sulfur)계열의 응집제가 주로 사용된다. 상기 추출 단계(20)에서 유기산 내로 액상의 용해 상태로 추출된 중금속이 케익 형태로 분리되어 제거된 후, 남은 유기산 용매는 추출제로 상기 혼합 단계(10)로 재투입되어 사용할 수 있다.

이와 같이, 본 발명에서 사용되는 유기산은 전체 공정에서 하수 슬러지에서 중금속을 추출하여 분리 제거하는 매개체로서 사용될 뿐 거의 소모되지 않고 재사용될 수 있기 때문에 매우 경제적인 공정을 구성할 수 있다.

본 발명에 따른 효과를 알아보기 위해 아연, 수은, 니켈, 카드뮴 등이 함유된 하수 슬러지에 옥살레이트와 시트레이트를 각각 0.1 및 0.5 몰 농도로 혼합하였다. 이 때, 하수 슬러지 400g 당 옥살레이트와 시트레이트를 각각 80㎖씩 혼합하여 상기 유기산에 의한 중금속 추출에 필요한 시간이 충분히 경과한 후에 하수 슬러지에 남아 있는 중금속의 양을 측정하였다.

그 결과, 옥살레이트와 시트레이트 모두 하수 슬러지 내에 포함된 중금속 중에서 카드뮴을 제외한 모든 중금속에 대하여 추출 효과가 있는 것으로 나타났다. 또한, 유기산의 종류에 관계없이 0.1 몰 농도보다 0.5 몰 농도에서 더 우수한 추출 효과가 있는 것으로 나타내었으며, 특히 아연에 대해서는 슬러지 내의 초기 농도 300ppm에서 추출 후 80ppm 수준까지 감소되어 가장 효과가 우수하였다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 유기산을 이용한 슬러지 내 중금속 추출방법은 도1에 도시된 바와 같이 기본적으로 혼합 단계(10), 추출 단계(20), 분리 단계(30)로 구성되어 있으나, 이는 하나의 예시적인 것이고 필요에 따라 슬러지의 폐하 또는 온도 조절 단계 등 보다 세부적인 공정이 추가로 포함될 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 유기산을 이용한 슬러지 내 중금속 추출방법에 의하면, 하수 슬러지를 단순히 복토재나 시멘트 원료로만 재활용하던 한계를 넘어 하수 슬러지에 포함된 유기 성분을 이용한 퇴비 또는 토양 개량제로서 적극 사용할 수 있다. 또한, 하수 슬러지 내에 포함된 중금속을 기준치 이하로 제거함으로써 슬러지 퇴비를 수목이나 잔디에 장시간 사용할 경우 발생할 수 있는 토양/식물 중금속 축적 및 2차 오염을 방지할 수 있다.

Claims (3)

1. 중금속이 함유된 하수 슬러지에 0.1 ~ 0.5 몰 농도를 가진 옥살레이트(Oxalate) 또는 시트레이트(Sitrate) 중 하나의 유기산을 혼합하는 단계(10);

   상기 하수 슬러지 내에 함유된 중금속을 혼합된 유기산 내로 액상의 용해 상태로 추출하는 단계(20);

   추출된 유기산 내의 중금속을 응집 반응을 통해 탈수 케익 형태로 분리하여 제거하는 단계(30)로 이루어진 것을 특징으로 하는 유기산을 이용한 슬러지 내 중금속 추출방법.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 중금속 제거단계(30)는 중금속이 제거된 유기산을 상기 하수 슬러지에 재사용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기산을 이용한 슬러지 내 중금속 추출방법.

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