슬러지의 에너지 회수, 유기성분 및 영양소

슬러지의 에너지 회수

슬러지는 화합물들의 복잡한 구조로 이루어져 있어 만일 회수한다면 귀중한 원료의 자원으로 재이용될 수 있다. 그러나 슬러지는 다른 화합물들과 다양한 정도로 오염되어 있어 재활용이 어렵다. 재활용에 있어 유용한 요소들로는 에너지, 유기물질, 영양소 등이 있다. 도시하수 슬러지는 독립적으로 재순환될 수 있는 많은 성분들을 포함한다. 슬러지로부터 많은 에너지를 얻거나 성분 회수를 위한 여러 새로운 방법들이 개발되었다. 대부분의 방법들은 분리 단계 이전에 열처리를 사용한다. 성분을 회수할 때 중금속과 유기 미세 오염물들과 같은 독성 성분들은 분리해서 없애거나 처리해야 한다.

에너지 회수

에너지는 슬러지의 소각을 통해 얻을 수 있다. 그러나 슬러지의 전량을 에너지로 만들 수는 없다. 슬러지는 수분, 유기성분, 무기성분의 세 부분으로 구분 지어질 수 있으며 유기성분이 에너지원을 의미한다. 만일 소각 전에 무기성분을 분리할 수 있다면 슬러지 내에 포함된 에너지는 증가하고 부피감소와 회분 발생량이 상당량 감소할 것이다.

무기슬러지는 대체로 염분으로 이루어져 있다. 슬러지의 산성화(acidfication)로 염분들은 용해시키지만 상대적으로 유기성분은 온전하게 남겨둔다. 그 후 유기성분들은 분리되어 탈수되고 소각에 이용될 수 있다. 슬러지의 산처리로 탈수능력이 향상되고 건조 슬러지가 된다. 만일 슬러지를 열적으로 가수분해 시킨다면 유기성분의 용해뿐만 아니라 염분의 용해도 향상된다. 탈수된 유기 슬러지에서의 건조 고형물은 보다 개량될 것이다. 보다 높은 온도와 낮은 pH에서 건조 고형물의 함량을 향상하고 그로 인해 슬러지의 에너지 발생량도 증가시킨다. 산성화와 유기성 입자의 분리 이후에 용해된 염분들도 처리되어야 한다.

또한 슬러지로부터 더 많은 에너지를 얻기 위하여 열적 가수분해가 간접적으로 사용될 수 있다. 슬러지 가수분해는 바이오가스의 생산을 위한 유용한 분해성 COD의 양을 증가시킨다. 원 슬러지와 소화된 슬러지 모두 열적 가수분해로 처리할 수 있다. 또한 슬러지를 열적 가수분해 전에 산성화 시킬 수도 있다. pH가 감소하면 가수분해 온도도 감소한다. pH가 중성에서 동일한 가수분해 수득률을 얻기 위해서는 pH 1.5에서보다 온도가 40도 정도 높아야 한다.

슬러지로부터 에너지를 회수하는 다른 대안으로는 열분해가 있다. 이 공정에서 슬러지는 1차로 탈수, 건조된 후 낮은 산소농도 조건에서 400~700도로 가열된다. 슬러지의 비활성 부분은 코크스와 같은 물질의 모양이 된다. 이러한 온도에서 유기성분들은 기화하여 에너지 생산에 이용될 수 있다. 가스가 냉각되면 기름으로 액화된다. 기름도 에너지 생산에 활용될 수 있다.

유기성분

유기성분은 에너지 생산뿐만 아니라 토양 개량에 이용될 수 있다. 휴민물질이 낮은 토양은 유기성분의 살포로 개량될 수 있다. 유기성분과 일반 슬러지 간에는 영양소와 중금속 함량의 차이가 있다. 유기성 슬러지는 영양소의 함량이 낮을 뿐만 아니라 중금속의 함량도 낮다. 유기성분으로부터 수은과 구리의 분리가 어려워 유기성 슬러지에 계속 잔류할 것이다. 유기성분 내에 유기성 오염물질도 잔류할 것이기 때문에 유기성분의 농업분야 사용은 관심이 적다.

유기성분의 다른 적용으로는 활성탄의 원료물질로의 사용이 있다. 유기성분은 열분해 반응을 거친다. 상용 활성탄보다 비표면적이 30~40% 정도 낮지만 재래 활성탄 정도의 효과가 있는 것으로 나타났다.

영양소

슬러지에서 가장 흥미로운 영양소는 질소와 인이다. 질소는 거의 대부분 암모니아의 상태로 존재하지만 유기성 질소로 존재할 수도 있다. 슬러지에서 암모니아의 분리는 다양한 방법들에 의해 가능하지만 현재까지 슬러지에서의 질소를 취급하는 주처리 방법은 탈수공정으로부터 수분을 제거하는 방법이다. 질소는 대부분 암모니아의 형태로 존재하기 대문에 탈기(stripping)나 struvite 형성에 의해 분리될 수 있다.

탈기는 가장 일반적인 방법이다. 배출수에서의 pH는 10 이상으로 증가한다. 암모니아의 대부분은 암모니아 가스로 변환되어 액상을 떠난다. 탈기를 향상하기 위해 배출수를 탈기탑으로 펌핑하여 탈기탑 내에서 공기와의 접촉 표면을 가능한 크게 하기 위해 물을 뿌려준다. 암모니아 가스를 함유한 공기는 산성액과 기체가 반응하는 스크러버로 보내져서 암모늄염 형태가 된다. 통상적으로 최종 생성물은 농업에 사용될 수 있는 황화암모늄이나 질산화암모늄이다.

인은 슬러지에서 가장 가치 있는 물질이다. 인은 질소와 같이 무한자원이 아니다 인회석 광산은 150년 내에 고갈될 것으로 알려졌으며 더 이상의 인 공급원은 존재하지 않는다. 오늘날 이용 가능한 주된 인의 회수방법들 중 하나이기 때문에 슬러지에서의 인의 회수는 중요하다. 소각 슬러지의 재로부터 인의 회수도 가능하다. 재를 산에 용해시켜서 이니을 분리하면 인산염은 결국 인산이 된다. 침전제(precipitant)와 중금속들도 이온교환 공정에서 분리될 수 있다.