KR20020093732A - 산을 이용한 슬러지의 중금속 추출 및 제거방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하수슬러지 증에 함유되어 있는 중금속류를 산을 이용하여 추출 및 제거하는 방법과 이러한 과정을 통하여 슬러지의 유기물 분해와 감량화를 통한 재활용 방법에 관한 것으로서 하수슬러지 처리의 약 90%가 육상매립 또는 해양투기에 의하여 최종처리 되고 있으나 이들 처리에 대한 국내 · 외 환경규제의 강화와 슬러지의 중금속 제거를 위한 기존의 고비용 소요와 적용 제한적인 열분해, 건조, 소각, 퇴비화 등 처리 내지 재활용방법의 문제점을 해결하기 위한 새로운 개념의 방법이다. 즉 슬러지와 산을 촉매제와 적정한 온도, 압력, 시간의 반응조건으로 반응시켜 슬러지의 유기물질을 분해하고 함유되어 있는 중금속을 액체의 용해상태로 추출하게 되는데 이 반응과정에서 발생되는 고체와 액체의 혼합물 중 액체는 함유된 중금속종류에 따라 황화합물 이나 수산화합물로 선택적 또는 순차적인 응집공정을 거쳐 탈수케익으로 제거하게 되며 유기물질의 산분해에 따라 생성된 아미노산을 함유한 액체는 최종 중화후 기존 하수처리장의 미생물 증식 영양원으로 재유입하는 재활용 방법과 또한 고체의 경우도 유기물이 분해되고 중금속이 추출된 슬러지로 존재하게 되는데 수소이온농도를 조정후 탈수케익으로 배출하여 토지개량제나 매립지복토용으로 재활용하는 방법인 것이다.

이렇게 함으로써 중금속함유 하수슬러지 처리에 대한 국내 · 외 환경규제의 대처와 기존의 적용 제한적인 처리 내지 재활용방법에 대한 저비용, 친환경적인 처리 및 재활용 방법을 가능하도록 하는 발명의 특징을 가지고 있다.

Description

산을 이용한 슬러지의 중금속 추출 및 제거방법{The method of heavy metal extraction from sludge with acid treatment and heavy metal removal}

본 발명은 하수종말처리장에서 필연적으로 발생되는 하수슬러지(탈수케익)를 산과 촉매제를 이용하여 일정한 온도와 압력 및 시간하에 반응시켜 슬러지에 다량 함유되어 있는 중금속류를 추출 및 제거하는 방법이며 이러한 과정에 이루어지게 되는 슬러지의 유기물분해 및 감량화를 통하여 재활용하는 방법에 관한 것이다.

하수슬러지에는 유용자원으로 가능한 유기물질을 약 70% 포함하고 있는 반면페인트, 농약 등의 하수관거 유입, 중금속 함유 공장폐수의 하수처리장 유입 등 다양한 원인으로 중금속류도 다량 함유하고 있는 특성이 있다. 이러한 하수슬러지는 2000년말 기준으로 전국 172개 처리장에서 174만톤이 발생되어 해양투기(64.3%), 육상매립(25.2%), 소각(5.4%)의 방법으로 최종처분 되었으며 재활용비율은 5.0%로 극히 낮은 수준을 나타내고 있다. 이러한 육상매립과 관련하여 폐기물관리법에서는 2001. 1월부터 1일 처리용량이 1만㎥ 이상인 하수종말처리장에서 발생하는 슬러지의 직접매립을 금지(다만 함수율이 75%미만인 경우는 2003. 6월까지 허용)하고 있으며 해양오염방지법에서는 2002. 9. 11일부터 슬러지의 해양투기시 해양환경개선 부담금을 부과하고 있을 뿐만 아니라 해양투기와 관련한 국제협약인 런던협약의 제반규정이 강화됨에 따라 향후로 해양투기가 금지되는 추세에 있으므로 하수슬러지의 적정한 처리 내지 재활용하는 방안이 시급한 시점에 있다. 그러나 하수슬러지에는 증금속류가 다량 함유되어 중금속류의 제거가 이루어지지 않은 상태에서는 재활용방법이 제한적일 수 밖에 없는 것으로서 기존의 재활용 방법인 퇴비화를 할 경우 중금속이 전혀 제거되지 않아 비료관리법에서도 도시 및 공단지역 하수슬러지를 퇴비원료로 사용할 수 없도록 규제하고 있으며 건조자원화나 열분해연료화와 같은 에너지 다소비형 재활용방법 등은 고가의 연료비가 소요되어 비용경제적인 측면에서 실용화 저해요인으로 작용하고 있다.

기존의 하수슬러지에 함유된 중금속의 제거를 포함한 슬러지의 처리 내지 재활용 방법들과 주요문제점을 다음의 표 1과 같이 요약한다.

[표 1]

기존 하수슬러지 처리 및 재활용방법에 관한 주요 문제점

따라서 본 발명은 하수슬러지에 중금속류가 다량 함유되어 있음에 따라 하수슬러지의 처리 내지 재활용하는 방법에 있어 국내외의 환경규제 강화에 대한 정책 대안방안을 제시하고 기존 방법의 적용 제한적인 문제점들을 해결하고자 하수슬러지에 함유된 중금속류를 산과 촉매제를 이용하여 적정한 온도, 압력, 시간의 반응조건하에서 반응, 분리, 조정, 응집, 탈수, 중화의 방법으로 증금속류를 추출하고 제거함은 물론 이러한 일련의 방법을 적용함에 따른 유기물의 안정적 분해와 감량화를 통하여 발생되는 고상의 부산물은 토지개량제, 매립지복토용으로 재활용하고액상의 부산물에 대하여는 기존 하수처리장의 미생물증식 영양원으로 재유입하는 재활용방법을 발명함으로써 궁극적으로 하수슬러지의 비용경제적 처리 및 친환경적 재활용을 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명인 산을 이용하여 슬러지에 함유되어 있는 증금속을 추출하고 추출된 증금속을 제거하는 과정과 중금속이 제거된 슬러지의 재활용 과정에 대한 계통도를 나타낸 것이다.

〈 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 〉

1 : 반응조 2 : 분리조

3 : 응집조 4 : 중화조

5 : 조정조 6-a, 6-b : 탈수시설

본 발명은 하수슬러지 및 오 · 폐수처리장 슬러지, 제품 생산공정 증 발생되는 공정슬러지, 해양 · 하천 · 호소의 퇴적 슬러지 등 유기성슬러지를 대상으로 슬러지에 함유되어 있는 중금속류를 추출 및 제거하는 방법과 이를 통한 슬러지의 재활용방법을 그 특징으로 하는 것으로 본 발명을 도 1의 계통도에 의하여 공정별로 상세히 설명하면 다음과 같다.

반응조(1) : 중금속류를 함유하고 있는 유기성슬러지를 산과의 반응으로 유기물을 산분해하고 중금속류를 추출하는 반응공정으로서 즉 유기성슬러지를 산과 반응시켜 미생물 세포벽(cell wall)을 파괴하여 세포내에 함유하고 있는 중금속을 액상의 용해상태로 추출하며 이때 유기물중 단백질성분은 아미노산으로 분해된다. 투입하는 산의 종류는 폐산이나 폐산을 정제한 재생 산 또는 일반 염산이나 질산을 각각 사용하거나 이들의 혼합물을 슬러지와의 중량대비(슬러지 : 산) 1 : 0.21∼1의 비율로 투입하며 반응효율을 높이기 위하여 촉매제를 첨가하고 온도를 380℃이하로 가온하며 24시간 이내로 반응시킨다. 이때 에너지절감과 반응효율을 높이기 위하여 100℃미만에서 감압 또는 상압의 상태로 예비반응을 한 후 100∼380℃의 고온과 고압하에서 본반응을 시키는 방법을 적용할 수 있으며 투입되는 산을 폐산이나 재생산을 사용할 경우 산의 비용을 크게 절감할 수 있다.

분리조(2) : 반응조(1)에서 반응공정을 거친 고 · 액혼합물을 각각 분리하는 분리공정으로서 가온된 고 · 액혼합물을 공기로 폭기하거나 냉각수에 의한 간접냉각으로 온도를 40℃이하로 냉각시킨 다음 침전과정을 수행한다. 반응조(1)의 반응공정과 분리조(2)의 분리공정에서 발생되는 산을 함유한 가스상물질은 냉각응축 시킨후 산을 회수하여 재사용하거나 대기오염방지시설을 거쳐 배출시킨다.

응집조(3) : 분리조(2)에서 분리공정을 거친 고 · 액혼합물중 중금속류가 용해되어 있는 산성상태의 액체에 대하여 중금속을 응집하는 응집공정으로서 슬러지에 함유되어 있는 중금속의 종류에 따라 수소이온농도지수(PH)가 5.0 이하인 조건에서 황염 또는 황화수소염 등 황화합물을 첨가하여 교반 응집시키는 방법과 수산화합물인 알카리제를 투입하여 수소이온농도지수를 10.0이상인 조건에서 교반 응집시키는 방법의 2종류 방법중 슬러지에 함유되어 있는 증금속의 종류에 따라 이 2종류 방법을 선택적으로 적용하거나 순차적으로 적용하여 중금속류를 응집물로서 침전시킨다. 응집된 중금속은 반응조(1)의 반응공정에서 슬러지로부터 추출된 중금속류 뿐만 아니라 투입되는 산에 함유되어 있는 중금속류가 함께 응집 침전되므로 폐산이나 재생 산의 사용이 가능하게 된다.

중화조(4) : 응집조(3)의 응집공정에서 중금속이 제거된 액체와 탈수시설(6-a)로부터 이송된 탈수여액을 최종 중화하는 중화공정으로서 응집공정의 결과에 따라 산 또는 알카리제로 수소이온농도지수를 5.8∼8.6으로 중화한 후 기존의 하수처리장으로 재유입 시킨다. 중화공정을 거친 중화액은 반응조(1)의 반응공정에서 유기물중 단백질이 산분해되어 아미노산으로 존재하고 있어 하수처리장 미생물 증식을 위한 영양원으로 사용한다.

조정조(5) : 한편 분리조(2)에서 분리공정을 거친 고 · 액혼합물중 중금속류가 추출된 고체물질(액상슬러지)에 대하여 수소이온농도를 조정하는 조정공정으로서 액체에 미량 함유된 중금속의 재응결이 발생되지 않도록 알카리제를 투입하여 수소이온 농도지수를 4.5∼6.5이하로 조정한다.

탈수시설(6-a) : 응집조(3)의 응집공정에서 중금속류를 함유한 응집물을 탈수하는 공정으로서 기계식 탈수기로 탈수후 배출된 탈수케익을 최종처분한다.

탈수시설(6-b) : 조정조(5)의 조정공정을 거친 고체물질(액상슬러지)를 탈수하는 공정으로서 조정조(5)의 수소이온농도 조정결과에 따라 직접탈수 또는 약알카리수로 세척하면서 탈수한다. 탈수케익은 반응조(1)의 반응공정을 통하여 중금속이 추출되었고 유기물이 분해된 슬러지로 존재하는데 단백질 일부와 지방산, 인화합물, 점토질을 함유하고 있어 토지개량제나 매립지복토용으로 재활용한다.

이하 실시예 의하여 다음과 같이 상세하게 설명하나 다음의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

반응조(1)에 함수율 75%∼80%의 하수슬러지와 염산을 중량대비 약 1 : 0.25의 비율로 투입하여 혼합 교반하면서 수소이온농도지수를 2.0이하로 한 다음 온도 130∼140℃, 내부압력 3∼4기압의 상태에서 2시간∼3시간 반응시켜 용액화 하였다. 이 용액에는 슬러지로부터 유기물이 산분해되면서 추출된 중금속류와 아미노산이 액상의 용해상태로 존재하게 된다.

분리조(2)에서 폭기를 실시하여 40℃이하로 냉각한후 고 · 액혼합물중 고체물질을 침전시킨 다음 액체는 응집조(3)로 이송하여 알카리제의 투입과 교반으로 수소이온 농도지수를 11.0∼12.0하여 액체에 용해되어 있는 중금속을 응집 침전시켰으며 침전된 응집물을 탈수시설(6-a)에서 탈수하여 탈수케익으로 배출시켰다. 이 탈수케익은 슬러지로부터 추출되어 용해된 중금속류가 다시 고체상태로 응결된 중금속함유 슬러지로서 최종처분하게 된다.

응집조(3)에서 응집공정후 응집물을 제외한 액체와 탈수시설(6-a)의 여액은 중화조(4)에서 산을 투입하여 수소이온농도지수를 7.5∼8.0으로 최종 중화하여 중화액을 하수처리장으로 재유입시켰다. 이 중화액에는 단백질이 대부분 산에 의하여 아미노산으로 분해되어 있으므로 하수처리장의 미생물 증식 영양원으로 재활용하게 된다. 한편 분리조(2)에서 침전 분리된 고체물질(액상슬러지)은 조정조(5)에서 알카리제를 투입하여 수소이온농도지수를 4.5∼5.0으로 조정한 다음 탈수시설(6-b)에서 약 알카리수로 세척후 탈수케익으로 배출시켰으며 이 탈수케익에는 유기물 분해와 중금속이 제거되어 있으므로 토지개량제나 매립지복토용도로 재활용이 가능하게 된다.

이와 같은 실시예를 근거로 도시지역 하수처리장에서 발생되는 하수슬러지에 대하여 중금속 추출 및 제거를 통한 중금속의 농도 분석결과를 다음의 표 2에 정리하였으며 표 2에 나타났듯이 반응공정 등 일련의 공정을 거친 재활용 대상 최종 슬러지와 중화액의 중금속 농도는 최초 투입한 슬러지의 중금속 농도보다 각각 최소 80%와 90%이상이 제거되어 있는 것을 알수 있다.

[표 2]

중금속 추출 및 제거 전후의 중금속 농도

상기에서와 같이 본 발명에 따른 기대효과로는 하수슬러지 처리에 대한 국내 · 외 환경규제의 강화에 따른 하수슬러지 처리 정책방향에 대한 대안을 제시하고 환경산업 활성화를 기할 수 있으며, 기존의 고비용 소요와 적용 제한적인 방법에 비하여 비용이 저렴한 산을 이용하여 처리와 재활용의 장애요인인 중금속을 제거하고 재활용이 용이하도록 함에 따라 하수슬러지 처리설비 설치시 건설비와 운영비를 획기적으로 저감할 수 있어 국가예산의 절감과 기술의 해외수출에 따른 국가경쟁력을 제고할 수 있다. 또한 기존 방법이 가지고 있는 대기, 토양오염 문제와 설비 입지시 지역주민의 민원을 사전예방 할 수 있으며 재활용을 통한 부가가치의 추가 창출효과가 있을 뿐만 아니라 유기성슬러지 배출업소, 해양 · 하천 · 호소의 준설토 처리분야 등 그 적용범위가 넓어 실용화 영역이 광범위할 것으로 기대된다.

Claims (5)

1. 반응조(1)내에 수분함량이 95퍼센트 미만인 슬러지와 산을 중량대비(슬러지:산) 1 : 0.21∼1의 비율로 투입하고 반응효율을 증가시키기 위한 촉매제를 첨가하며 온도의 경우 상온∼380℃, 내부압력은 0.1∼20기압, 시간은 0.5∼24시간의 조건으로 혼합 반응시켜 슬러지에 함유된 유기물을 산분해하고 중금속을 액상의 용해상태로 추출하는 방법을 특징으로 하는 산을 이용한 슬러지의 중금속 추출 방법
2. 제 1 항에 있어서, 반응조(1)에 투입하는 산의 종류는 액체상태의 폐기물로서 수소이온농도지수(PH)가 2.0 이하인 폐산이거나 폐산을 정제한 재생 산 또는 염산이나 질산을 각각 사용하거나 이들의 2종류 또는 3종류 이상의 혼합물을 사용하는 방법을 특징으로 하는 산을 이용한 슬러지의 중금속 추출 방법.
3. 분리조(2)에서 반응조(1)의 반응후 가온된 고체와 액체의 혼합물을 공기로 폭기시키거나 냉각수에 의한 간접냉각으로 온도를 40℃이하로 냉각 시킨후 고체 · 액체 혼합물을 침전 분리하는 단계: 분리된 액체를 응집조(3)에서 수소이온농도지수가 5.0이하인 조건에서 황화합물을 투입하여 교반하는 방법 또는 알카리제를 투입하여 수소이온농도지수를 10.0이상인 조건으로 교반하는 방법을 각각 선택적으로 적용하거나 각각의 방법을 순차적으로 적용하여 용해되어 있는 중금속류를 응집시키는 단계: 응집조(3)에서 중금속류가 포함된 응집물을 탈수시설(6-a)에서 탈수케익으로 배출시키는 단계: 이들 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬러지에서 추출된 중금속을 제거하는 방법
4. 제 3 항에 있어서, 분리조(2)에서 침전 분리된 고체(액상슬러지)를 조정조(5)에서 알카리제를 투입하여 수소이온농도지수를 6.5이하로 조정하는 단계: 조정조(5)의 슬러지를 탈수시설(6-b)에서 탈수후 탈수케익으로 분리하며 탈수시 발생되는 여액은 응집조(3)로 이송하는 단계: 이들 단계와 분리된 탈수케익을 토지개량제나 매립지복토용도로 재활용하는 방법을 특징으로 하는 슬러지의 중금속 추출 및 제거를 통한 재활용방법.
5. 제 3 항에 있어서, 응집조(3)에서 중금속류가 포함된 응집물을 제거한 액체와 탈수시설(6-a)로부터 이송된 탈수여액을 중화조(4)에서 산 또는 알카리제로 수소이온농도지수를 5.8∼8.6으로 최종 중화시키는 단계와 최종 중화된 중화액을 하수처리장 또는 폐수처리장의 미생물증식을 위한 영양원으로 재유입하는 방법을 특징으로 하는 슬러지의 중금속 추출 및 제거를 통한 재활용방법.