XJY, 하수 슬러지를 바이오솔리드로 전환하다: 폐수 처리 및 그 너머를 향한 여정

2024년 9월 9일

1950년 이전에는 미국 대부분의 지역사회에서 생활하수를 거의 또는 전혀 처리하지 않고 하천과 강으로 방류했습니다. 도시 인구가 증가함에 따라 하천과 강의 자연적인 폐수 처리 능력이 한계에 달했고, 많은 지역에서 수질이 악화되었습니다. 수질 악화에 대한 우려에 대응하여 미국 전역의 수천 개 지역사회에서 폐수 처리 시설을 건설했습니다.수처리 1950년대와 1960년대에 도입된 이 시스템들은 하천 수질을 크게 개선했지만, 하수 슬러지라는 새로운 처리 문제를 야기했습니다. 하수처리장으로 유입되는 폐수의 약 99%는 정화된 물로 방류됩니다. 나머지는 처리 과정에서 포집된 고형물의 희석된 현탁액입니다. 이러한 폐수 처리 고형물을 일반적으로 하수 슬러지라고 합니다.

그림 1 하수 폐수

"하수 슬러지" 또는 "바이오솔리드" - 이름이 무슨 의미가 있을까요?

최근 하수처리 업계에서 "바이오솔리드(biosolids)"라는 용어가 도입되었습니다. 이 업계에서는 바이오솔리드를 안정화 및 병원균 감소를 위한 충분한 처리를 거쳐 토양에 살포할 수 있을 만큼 높은 품질을 갖춘 하수 슬러지로 정의합니다. 이 용어는 고품질의 처리된 하수 슬러지를 미처리 하수 슬러지 및 다량의 환경 오염 물질을 함유한 하수 슬러지와 구분하기 위해 사용됩니다. 또한 "바이오솔리드"라는 용어는 하수 슬러지가 생물학적 공정을 통해 생산된다는 점을 강조함으로써 산업 슬러지와 구별하는 데에도 도움이 됩니다. 일각에서는 이 용어가 하수 슬러지의 실제 본질을 은폐하여 일반 대중의 토양 살포에 대한 거부감을 줄이려는 시도라는 비판도 제기되고 있습니다. "바이오솔리드"라는 용어가 "하수 슬러지"나 단순히 "슬러지"처럼 부정적인 이미지를 떠올리게 하지는 않지만, 위에서 설명한 구분을 명확히 하기 위해 올바르게 사용될 경우 타당하고 유용한 용어임은 분명합니다. 본 문서에서 "하수 슬러지"는 일반적으로 하수 처리 고형물을 지칭하는 데 사용되며, "바이오솔리드"는 토지 살포에 적합한 물질을 구체적으로 지칭하는 데 사용됩니다.

그림 2 하수 슬러지 라인

생산 XJY 시 하수 슬러지

도시 하수 또는 오수는 도시 및 교외 지역의 가정이나 사업장에서 세탁, 목욕, 변기 물 내리기 등에 사용한 물을 말합니다. 도시 하수에는 산업 폐수도 포함될 수 있습니다. 산업 공정에서 발생하는 화학 물질이나 오염 물질을 제거하기 위해, 도시 하수 처리 시스템에 폐수를 방류하는 산업체는 폐수를 하수 시스템으로 방류하기 전에 전처리해야 합니다. 폐수는 하수 시스템을 통해 중앙 하수 처리장(공공 하수 처리 시설, POTW라고도 함)으로 이송됩니다. POTW에서는 하수가 물리적, 생물학적, 화학적 공정을 거치면서 영양분과 고형물을 제거하고, 유기물을 분해하며, 물속의 병원균(질병을 유발하는 유기체)을 파괴합니다. 정화된 물은 하천이나 강으로 방류되거나 넓은 지역에 살수될 수 있습니다.

그림 3. 도시 하수 슬러지 처리

하수 처리 전처리에는 나뭇가지, 병, 종이, 헝겜과 같은 큰 이물질을 제거하기 위한 스크리닝과 무기 고형물(모래, 자갈, 재)이 빠르게 침전되는 침전물 제거 단계가 포함됩니다. 이 단계에서 제거된 스크리닝 찌꺼기와 침전물은 일반적으로 매립되며 하수 슬러지에 포함되지 않습니다.

1차 처리에는 중력 침전 및 부유 과정이 포함되며, 이 단계에서는 유입되는 고형 물질의 약 절반이 제거됩니다. 이 처리 단계에서 침전되는 고형 물질(유기물 및 무기물)은 바닥에서 제거되어 1차 슬러지를 구성합니다. 대부분의 공공 하수처리장(POTW)에서는 1차 처리 과정에서 수면에서 제거되는 부유 물질(기름, 그리스, 나무 조각, 식물성 물질)은 별도로 처리되며 1차 슬러지에 포함되지 않습니다.

2차 처리는 자연적으로 존재하는 미생물을 이용하여 폐수 내 부유 및 용해된 유기물을 분해(소화)하는, 정밀하게 제어되고 가속화된 생물학적 공정입니다. 이 과정에서 분해된 물질은 이산화탄소로 전환되어 대기 중으로 방출되고 미생물 세포 덩어리로 재흡수됩니다.

이차 침전조에서는 미생물 세포 덩어리가 바닥으로 침전되어 제거됩니다. 주로 유기물로 이루어진 이 물질을 이차 슬러지라고 합니다.

일부 하수처리장에는 식물 영양소(질소와 인), 부유물질 또는 폐수의 생물학적 산소 요구량을 추가로 줄이기 위해 고안된 3차 처리 단계가 포함되어 있습니다. 화학적으로 침전된 인과 여과 과정을 통해 3차 슬러지가 생성됩니다.

마지막으로, 물은 병원성 미생물을 제거하기 위한 소독 처리를 거칩니다. 이렇게 정화된 물은 하천이나 강으로 방류되거나 넓은 지역에 살포될 수 있습니다.

XJY 치료 방법 도시 하수 슬러지

1차, 2차, 3차 슬러지는 일반적으로 혼합되며, 이렇게 얻어진 혼합물은 고형분 함량이 1~4%로 "미처리" 하수 슬러지라고 불립니다. 미처리 하수 슬러지는 병원균을 함유하고 있으며 불안정하고 분해되기 쉬운 특성 때문에 건강과 환경에 잠재적인 위험을 초래할 수 있습니다. 그러나 현재는 여러 처리 공정을 통해 하수 슬러지를 안정화하고 병원균 함량을 줄이며 고형분 함량을 높이고 있습니다. 하수 슬러지의 안정화 및 병원균 감소에 일반적으로 사용되는 몇 가지 공정은 표 1에 간략하게 설명되어 있습니다.

치료 방법	설명	슬러지에 미치는 영향
농화	슬러지 고형물은 중력에 의한 침전이나 공기를 주입하여 슬러지 고형물이 뜨게 하는 방식으로 농축됩니다.	슬러지는 액체의 성질을 유지하지만 고형분 함량은 5~6%로 증가합니다.
탈수	탈수 모래밭에서 자연 건조 원심분리 벨트 프레스(여과)	고형분 함량을 15~30%로 증가시킵니다. 자연 건조는 병원균을 줄여줍니다. 원심분리와 여과 과정에서 일부 영양소가 손실됩니다.
혐기성 소화	슬러지 처리에 가장 널리 사용되는 방법 중 하나입니다. 슬러지를 공기가 차단된 상태에서 20~55°C(68~131°F)의 온도로 15~60일 동안 유지합니다. 혐기성 박테리아가 슬러지를 섭취하면서 메탄과 이산화탄소를 생성합니다. 일부 처리 시설에서는 생성된 메탄을 포집하여 소각함으로써 처리 온도를 유지합니다.	고형분 함량을 증가시킵니다 냄새를 줄여줍니다 휘발성 고형물 감소 생존 가능한 병원균을 감소시킵니다. 식물의 영양분을 보존합니다
호기성 소화	슬러지는 59~68°F(15~20°C)의 온도에서 40~60일 동안 공기 또는 산소와 함께 교반됩니다. 호기성 박테리아는 슬러지를 섭취하면서 이산화탄소를 생성합니다.	고형분 함량을 증가시킵니다 냄새를 줄여줍니다 휘발성 고형물 감소 생존 가능한 병원균을 감소시킵니다. 일반적으로 질소 손실이 어느 정도 발생합니다.
알칼리 안정화	슬러지의 pH를 최소 12 이상으로 유지하기 위해 충분한 알칼리성 물질(주로 산화칼슘(CaO))을 첨가하고, 이후 22시간 동안 pH를 11.5 이상으로 유지해야 합니다.	휘발성 고형물 감소 생존 가능한 병원균을 감소시킵니다. 암모니아(NH3) 손실 인은 식물이 쉽게 이용할 수 없는 형태로 전환될 수 있습니다.
퇴비화	슬러지를 탈수하여 고형분 함량을 약 20%까지 높인 다음 톱밥과 같은 고탄소 유기물과 혼합합니다. 이 혼합물을 퇴비화 과정에서 최소 131°F(55°C)의 온도에서 며칠 동안 호기성 조건으로 퇴비화합니다.	슬러지 부피 감소 냄새를 줄여줍니다 휘발성 고형물 감소 유기물을 안정화시킵니다 대부분의 병원균을 제거합니다. 식물의 영양가를 감소시킨다

무엇이 들어있나요? 하수 슬러지?

하수 슬러지는 무기물과 유기물로 구성되어 있으며, 일부 식물 영양소는 고농도로, 수많은 미량 원소¹와 유기 화학 물질, 그리고 일부 병원균은 훨씬 적은 농도로 함유되어 있습니다. 하수 슬러지의 조성은 폐수의 조성과 사용된 처리 공정에 따라 상당히 다양합니다. 표 2는 하수 슬러지에서 발견되는 식물 영양소와 일부 미량 원소의 중앙값과 95번째 백분위수 농도를 나타냅니다. 이 데이터는 1996년과 1997년 펜실베이니아에서 발생한 하수 슬러지에 대한 광범위한 조사에서 얻은 것입니다.

문제 해결을 위한 선택 사항 하수 슬러지

하수 슬러지는 유익하게 활용할 수 있는 유기물 및 영양 자원으로 볼 수도 있고, 폐기해야 할 폐기물로 볼 수도 있습니다. 1991년 이전에는 펜실베이니아주를 포함한 여러 지역에서 대량의 하수 슬러지가 해양 투기로 처리되었습니다. 해양 영양물질 과다 유입에 대한 우려로 인해 이러한 관행은 금지되었습니다. 현재 펜실베이니아주에서 발생하는 거의 모든 하수 슬러지는 처리 과정을 거쳐 바이오솔리드로 분류될 만큼 충분히 높은 품질을 유지하고 있습니다. 이 중 절반 미만이 매립이나 소각으로 처리되고, 나머지 바이오솔리드는 농업, 광산 복구, 조경 또는 원예에 사용되어 토양으로 재활용됩니다. 이러한 각 처리 방식에는 경제적, 환경적 이점, 문제점 및 위험이 수반됩니다.

매립 처리

관리 및 자재 처리 관점에서 볼 때, 매립은 아마도 가장 간단한 해결책일 것입니다. 경제적인 관점에서도 현재 매립은 다른 방식들에 비해 유리한 점이 많습니다. 하지만 매립지 공간이 점점 부족해지고 폐기물 처리 비용(처리 수수료)이 증가함에 따라 이러한 상황은 분명히 변할 것입니다. 환경적인 관점에서 볼 때, 매립은 슬러지를 한 곳에 집중시킴으로써 슬러지에 포함된 오염물질이나 병원균의 유출을 방지합니다. 매립지가 적절하게 건설되고 관리된다면 환경적 위험은 최소화될 것입니다.

하지만 하수 슬러지를 매립하는 데에는 여러 위험이 따릅니다. 유기성 폐기물은 매립지에서 혐기성 분해를 거치면서 메탄가스를 생성하는데, 이 가스가 대기 중으로 방출될 수 있습니다. 메탄은 지구 온난화의 원인으로 지목되는 온실가스입니다. 매립지에서 방출되는 다른 가스들은 불쾌한 악취를 유발할 수 있습니다. 하수 슬러지가 매립지에 추가하는 다량의 영양분은 지역 환경에 위험을 초래할 수 있습니다. 매립지 차수막이나 침출수 수집 시스템에 문제가 발생할 경우, 이러한 영양분은 지역 지하수와 지표수를 오염시킬 수 있습니다. 또한 하수 슬러지를 매립하면 귀중한 매립지 공간을 차지하게 되고, 슬러지에 함유된 유기물과 식물 영양분의 잠재적 이점을 활용할 수 없게 됩니다.

그림 4 매립 처리

소각 처리

하수 슬러지 소각은 폐기해야 할 물질의 부피를 줄이고, 병원균을 완전히 사멸시키며, 대부분의 유기화학물질을 분해하고, 하수 슬러지에 함유된 소량의 열량을 회수합니다. 소각 후 남은 재는 안정적이고 비교적 불활성인 무기물질로, 원래 슬러지 부피의 10~20%에 불과합니다. 하수 슬러지에 함유된 대부분의 미량 금속은 재에 농축됩니다(농도가 5~10배 증가). 이 물질은 일반적으로 매립되지만, 건축 자재로 활용될 가능성도 있습니다.

소각 과정에서는 이산화탄소(또 다른 온실가스)와 카드뮴, 수은, 납, 다이옥신 등의 휘발성 오염물질이 대기 중으로 배출될 수 있습니다. 소각로 운영에는 미세 입자(비산재)와 휘발성 오염물질을 배출가스에서 제거하는 정교한 시스템이 필요합니다. 이 때문에 소각은 하수 슬러지 처리 방법 중 비용이 많이 드는 방식 중 하나입니다. 매립과 마찬가지로, 하수 슬러지에 함유된 유기물과 식물 영양분이 제공하는 잠재적 이점도 사라집니다.