XJY 하수 슬러지를 생물고체로 변환: 폐수 처리 및 그 이후의 여정

XJY 슬러지 처리 소개

1950년 이전, 미국 대부분의 지역 사회는 하수 처리 시설을 거의 갖추지 않은 채 하천과 강으로 폐수를 방류했습니다. 도시 인구가 증가함에 따라 하천과 강의 자연적인 처리 능력은 한계에 도달했고, 여러 지역에서 수질이 악화되었습니다. 수질 악화에 대한 우려로 미국 전역의 수천 개 지역 사회는 1950년대와 1960년대에 폐수 처리 시설을 건설했습니다. 이로 인해 하천과 강의 수질이 크게 개선되었지만, 처리해야 할 또 다른 물질, 즉 하수 슬러지가 발생했습니다. 하수 처리장으로 유입되는 폐수의 약 99%는 재생수로 방류됩니다. 나머지는 처리 과정에서 포집된 고형물의 묽은 현탁액입니다. 이러한 폐수 처리 고형물을 일반적으로 하수 슬러지라고 합니다.

"하수 슬러지" 또는 "생물고형물" - 이름에 무슨 의미가 담겨 있을까?

"바이오 솔리드(biosolid)"라는 용어가 최근 폐수 처리 업계에 도입되었습니다. 업계는 바이오 솔리드를 안정화 및 병원균 감소를 위해 충분한 처리를 거친 하수 슬러지로, 토지에 시용할 수 있을 만큼 충분히 높은 품질을 가진 것으로 정의합니다. 이 용어는 고품질의 처리된 하수 슬러지를 생하수 슬러지 및 다량의 환경 오염물질을 함유한 하수 슬러지와 구별하기 위한 것입니다. 또한 "바이오 솔리드"라는 용어는 하수 슬러지가 생물학적 과정을 통해 생성된다는 점을 강조함으로써 하수 슬러지와 산업 슬러지를 구분하는 데 도움이 됩니다. 일부에서는 이 용어가 하수 슬러지의 본질을 은폐하려는 시도라는 비판을 받아왔으며, 이로 인해 일반 대중이 이 물질의 토지 시용에 대해 덜 거부감을 느끼게 됩니다. "바이오 솔리드"는 "하수 슬러지" 또는 단순히 "슬러지"처럼 부정적인 이미지를 불러일으키지는 않지만, 위에서 설명한 구분을 위해 올바르게 사용되면 타당하고 기능적인 용어입니다. 본 문서에서 "하수 슬러지"는 일반적으로 폐수 처리 고형물을 지칭하는 데 사용되고, "생물고형물"은 특히 토지 적용에 적합한 물질을 지칭하는 데 사용됩니다.

그림 6하수 슬러지

시립 XJY 하수 슬러지 생산

도시 폐수 또는 하수는 도시 및 교외 지역의 가정이나 사업장에서 세탁, 목욕, 변기 세척에 사용된 물을 말합니다. 도시 폐수에는 산업 폐수도 포함될 수 있습니다. 산업 공정에서 발생하는 화학 물질이나 오염 물질을 제거하기 위해 도시 폐수 시스템에 배출되는 산업 시설은 하수 시스템으로 배출하기 전에 폐수를 전처리해야 합니다. 폐수는 위생 하수 시스템을 통해 중앙 폐수 처리장(공공 소유 처리 시설 또는 POTW라고도 함)으로 이송됩니다. POTW에서 하수는 물리적, 생물학적, 화학적 과정을 거쳐 물 속의 영양분과 고형물을 제거하고, 유기물을 분해하며, 병원균(질병을 유발하는 유기체)을 파괴하는 일련의 처리 단계를 거칩니다. 이렇게 정화된 물은 하천이나 강으로 방류되거나 넓은 지역에 뿌려질 수 있습니다.

그림 7 도시 하수 슬러지

미처리 하수의 예비 처리에는 막대기, 병, 종이, 헝겊과 같은 큰 이물질을 제거하기 위한 체질 단계와, 무기 고형물(모래, 자갈, 재)을 물에서 빠르게 침전시키는 모래 제거 단계가 포함됩니다. 이 처리 단계에서 제거된 체질과 모래는 일반적으로 매립되며 하수 슬러지의 일부가 되지 않습니다.

1차 처리에는 중력 침전 및 부유 공정이 사용되며, 이 공정을 통해 이 단계에 유입되는 고형물의 약 절반이 제거됩니다. 이 처리 단계에서 침전되는 고형물(유기물 및 무기물 모두)은 바닥에서 끌어올려져 1차 슬러지를 구성합니다. 대부분의 공공 하수처리장(POTW)에서는 1차 처리 과정에서 수면에서 떠내려오는 부유물(기름, 그리스, 목재, 식물성 물질)은 별도로 처리되어 1차 슬러지에 포함되지 않습니다.

2차 처리는 자연적으로 발생하는 미생물을 이용하여 폐수 내 부유 및 용해 유기물을 분해(분해 또는 소화)하는, 세심하게 제어되고 가속화되는 생물학적 과정입니다. 이 물질은 이산화탄소로 전환되어 대기 중으로 방출되고 미생물 세포 덩어리가 됩니다.

2차 침전지에서는 미생물 세포 덩어리가 바닥에 가라앉아 제거됩니다. 이 유기물이 주성분인 것을 2차 슬러지라고 합니다.

일부 처리 시설에는 폐수 내 식물 영양분(질소와 인), 부유 고형물, 또는 생물학적 산소 요구량을 더욱 줄이기 위해 설계된 3차 처리 단계도 포함됩니다. 화학적으로 침전된 인과 여과는 3차 슬러지를 생성합니다.

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

XJY 도시 하수 슬러지 처리 방법

1차, 2차, 3차 슬러지는 일반적으로 혼합되며, 1~4%의 고형물을 함유하는 혼합물을 "원시" 하수 슬러지라고 합니다. 병원균 함량과 불안정하고 분해 가능한 특성으로 인해 원시 하수 슬러지는 잠재적인 건강 및 환경적 위험을 초래합니다. 그러나 현재 하수 슬러지를 안정화하고, 병원균 함량을 감소시키며, 고형물 함량을 증가시키기 위해 여러 가지 처리 공정이 사용되고 있습니다. 하수 슬러지 내 병원균 수준을 안정화하고 감소시키는 데 일반적으로 사용되는 몇 가지 공정을 표 1에 간략하게 정리했습니다.

하수 슬러지에는 무엇이 들어있나요??

하수 슬러지는 무기물과 유기물로 구성되어 있으며, 일부 식물 영양소는 고농도로 함유되어 있고, 다양한 미량 원소¹와 유기 화학물질은 훨씬 적게 함유되어 있으며, 일부 병원균도 포함되어 있습니다. 하수 슬러지의 조성은 폐수 성분과 처리 공정에 따라 상당히 다릅니다. 표 2는 하수 슬러지에서 발견되는 식물 영양소와 일부 미량 원소의 중앙값과 95백분위수 농도를 보여줍니다. 이 데이터는 1996년과 1997년 펜실베이니아에서 발생한 하수 슬러지에 대한 광범위한 조사에서 얻은 것입니다.

하수 슬러지 처리 옵션

하수 슬러지는 유익하게 활용할 수 있는 유기물 및 영양분 자원으로 볼 수도 있고, 폐기해야 할 폐기물로 볼 수도 있습니다. 1991년 이전에는 펜실베이니아에서 발생한 일부를 포함하여 많은 양의 하수 슬러지가 해양 투기로 처리되었습니다. 바닷물의 과도한 영양분 축적에 대한 우려로 이러한 관행이 금지되었습니다. 현재 펜실베이니아에서 발생하는 거의 모든 하수 슬러지는 처리되었으며, 바이오솔리드로 분류될 만큼 충분히 높은 품질을 갖추고 있습니다. 이 물질의 절반 미만이 매립이나 소각으로 처리되고, 나머지 바이오솔리드는 농업, 광산 복구, 조경 또는 원예에 사용되어 토양으로 재활용됩니다. 이러한 각 옵션은 경제적, 환경적 이점, 문제 및 관련 위험을 가지고 있습니다.

매립 처분

관리 및 자재 처리 관점에서 볼 때 매립은 아마도 가장 간단한 해결책일 것입니다. 경제적 관점에서 볼 때 매립은 현재 다른 대안에 비해 유리합니다. 그러나 매립지 공간이 더욱 제한되고 폐기물 투기 비용이 증가함에 따라 이러한 상황은 분명 변할 것입니다. 환경적 관점에서 볼 때, 매립은 슬러지를 한곳에 집중시켜 슬러지 유래 오염물질이나 병원균의 방출을 방지합니다. 매립지가 적절하게 건설되고 유지 관리된다면 환경적 위험은 최소화됩니다.

그러나 하수 슬러지의 매립 처분에는 위험이 따릅니다. 유기 폐기물은 매립지에서 혐기성 분해 과정을 거치면서 대기 중으로 방출될 수 있는 메탄 가스를 생성합니다. 메탄은 지구 온난화의 원인으로 지목되는 온실가스입니다. 매립지에서 방출되는 다른 가스들은 불쾌한 악취를 유발할 수 있습니다. 하수 슬러지가 매립지에 첨가하는 다량의 영양분은 지역 환경에 위험을 초래합니다. 매립지 라이너나 침출수 집수 시스템이 고장날 경우, 이러한 영양분이 지역 지하수와 지표수를 오염시킬 수 있습니다. 또한, 하수 슬러지를 매립하는 것은 귀중한 매립지 공간을 차지할 뿐만 아니라 슬러지 내 유기물과 식물 영양분의 잠재적 이점을 상실하게 합니다.

그림 8매립 처분

소각 처분

하수 슬러지 소각은 처리 대상 물질의 부피를 줄이고, 병원균을 완전히 파괴하며, 대부분의 유기 화학물질을 분해하고, 하수 슬러지에 포함된 미량의 열량을 회수합니다. 잔류 재는 안정적이고 비교적 불활성인 무기 물질로, 원래 슬러지 부피의 10~20%에 불과합니다. 하수 슬러지 내 미량 금속 대부분은 재에 농축되어 5~10배의 농도로 증가합니다. 이 물질은 일반적으로 매립되지만, 건축 자재로 사용될 가능성도 있습니다.

소각은 이산화탄소(또 다른 온실가스)와 기타 휘발성 오염물질(카드뮴, 수은, 납, 다이옥신)을 대기 중으로 방출합니다. 소각로 운영에는 미세먼지(비산재)와 굴뚝 가스에서 휘발성 오염물질을 제거하는 정교한 시스템이 필요합니다. 이러한 이유로 소각은 하수 슬러지 처리에 있어 비용이 많이 드는 방법 중 하나입니다. 매립과 마찬가지로, 하수 슬러지 내 유기물과 식물 영양분의 잠재적 이점이 손실됩니다.

그림 9 소각처리