정수슬러지로부터 알루미늄 회수 및 응집제로의 재활용에 관한 연구

김성재ㆍ경규선ㆍ정미선ㆍ정희중ㆍ이태일ㆍ오세영

서울특별시 구의아리수정수센터

1. 서 론

국내 대부분의 정수장에서는 정수처리의 부산물로 발생되는 정수슬러지를 성․복토재로 처리하고 있다. 그러나 이와 같은 처리방법은 침출수에 의한 지하수 오염 우려와 국제유가 상승으로 인한 운반비용 증가로 처리비용이 지속적으로 상승하는 문제점이 있다. 또한 최근 정수슬러지를 건축내장재, 벽돌, 시멘트원료 등으로 재활용하기 위한 노력을 진행하고 있으나, 재활용한 제품에 대한 안정적인 수요처 확보의 어려움과 재활용을 위한 처리비용이 크다는 문제점이 있다. 국내 정수장의 대부분은 정수처리시 알루미늄계열의 응집제(PAC, PAHCS)를 사용하고 있기 때문에, 정수슬러지 내에는 알루미늄수산화물(Al(OH)3)의 형태로 높은 함량의 알루미늄이 존재한다. 슬러지 내의 알루미늄수산화물이 pH에 따라 형태가 달라지는 특성을 이용하면, 슬러지 내의 알루미늄을 회수하여 정수처리 공정에서 응집제로 재활용이 가능하다. 본 연구에서는 소성(燒成)슬러지와 농축슬러지를 재활용 응집제로 제조하기 위한 최적 조건 도출과 재활용 응집제를 정수처리에 사용했을 때의 정수수질과 경제성 분석으로 응집제로의 사용 가능성에 대해 평가하였다.

2. 실험

2.1 실험재료

슬러지내 알루미늄을 용액내로 용출시키기 위한 pH조정제로는 98% 황산을 사용하였다.

2.2 실험방법

먼저, 농축슬러지와 소성슬러지에 포함된 총알루미늄 농도를 분석하였다. 농축슬러지를 이용한 알루미늄 용출실험은 98% H2SO4의 투입량을 0.1mL에서 3.4mL로 증가시켜 가면서 슬러지 용액 100mL의 pH를 조정하였다. 소성슬러지를 이용한 알루미늄 용출실험은 정수에 소성슬러지 4g을 혼합한 용액 100mL에 98% H2SO4의 투입량 변경으로 pH를 조정하였다. pH 조정 및 침전에 의한 고액분리 후 각 용액 상징수의 알루미늄농도 분석으로 슬러지 pH변화에 따른 알루미늄의 회수율과 회수율이 가장 높은 최적 pH를 확인하였다. 농축슬러지와 소성슬러지로부터 용출한 두 개의 황산알루미늄 응집제에 대한 규격검사를 하였으며, 자-시험으로 재활용 응집제와 기존 응집제의 응집특성과 처리수의 수질특성을 비교하였다. 마지막으로 재활용 응집제의 현장 적용에 대한 경제성 평가를 하였다.

3. 실험 결과

3.1 정수슬러지의 특성분석

농축슬러지의 비중은 1.033이였으며, pH는 6.9였다. 총고형분(TS, Total Solid)은 5.9%였으며, 휘발성고형분(VS, Volatile Solid)은 20.1%였다. 농축슬러지 내의 알루미늄 농도 분석결과는 0.48%이었다. 소성슬러지 100mL의 무게는 34.2g으로 비중이 0.342로 매우 낮았고, 소성슬러지 내의 알루미늄 농도는 11%였다.

3.2 농축슬러지 및 소성슬러지의 pH별 알루미늄 용출량 분석

그림 1과 2는 농축슬러지와 소성슬러지의 pH변화에 따른 혼합액 상징수로 용출된 Al농도를 각각 보여 주고 있다. pH가 낮아질수록 슬러지의 침강성이 증가되는 특성이 있었으며, 농축슬러지의 경우에는 pH 0.8에서 알루미늄농도가 3,400mg/L까지 용출되었다. 이때의 최대 회수율은 70%였으며, Al2O3 함량은 0.65%였다. 소성슬러지를 이용한 알루미늄 용출실험의 분석결과는 pH 0.7에서 알루미늄 농도가 4,400mg/L까지 용출되었다. 이때의 회수율은 94.6%였으며, Al2O3 농도로는 0.8%였다. 각 슬러지로부터 용출한 알루미늄 용액의 상, 중, 하에 따른 농도 차이는 거의 없었으며, 용출시간 2시간 이내에 모든 용출이 완료되었다. 교반속도에 따른 용출 영향성도 거의 없었다. 소성슬러지의 최대 용출 pH조건에서 소성슬러지량을 증가 시켰을 경우 소성슬러지량 20g에서 알루미늄 농도는 최대 2.14%까지 용출되었으며, Al2O3 농도 기준으로는 4.01%였다.

그림 1. 농축슬러지 pH별 용출Al농도	그림 2. 소성슬러지 pH별 용출Al농도

3.3 재활용 응집제의 성능평가

농축슬러지와 소성슬러지로부터 용출한 Al2O3 함량 0.65%와 Al2O3 함량 4.01%인 재활용 황산알루미늄 응집제에 대한 규격검사를 실시하였다. 검사결과는 망간 성분이 기준치 이상으로 검출되어 일반 황산알루미늄 응집제의 규격기준에서는 부적합 결과가 나왔다. 자-시험을 이용한 재활용  응집제와 기존 응집제(PAC)의 성능을 비교 분석한 결과는 다음과 같았다. 탁도 제거율은 재활용 응집제가 낮은 투입률 영역에서는 응집성능이 떨어졌지만, 최적 투입률 영역에서는 큰 차이가 없었다. 기존응집제와 혼합사용 시에는 고분자응집제와 탁도 제거 경향성은 동일하였으나, 응집제 소모량은 PAC기준 약 2mg/L가 추가로 소요되었다. 정수의 색도, 소독부산물 및 망간 농도를 예측하기 위한 실험 결과에서는 색도 상승은 없을 것으로 판단됐다. 하지만, 망간 및 소독부산물은 먹는물 수질기준 이하이기는 하나, 소폭 증가 할 것으로 예측 됐다. 특히, 망간의 경우 기존 응집제 사용시 불검출 항목으로, 검출시에는 수돗물 불신을 야기할 우려가 있다고 판단된다.

표 1. 재활용 응집제에 대한 수처리제 규격검사 결과

항 목	기 준(황산알루미늄)	결 과
		농축슬러지 용출액(Al2O3 0.65%)	소성슬러지 용출액(Al2O3 4.01%)
성 상	무색내지 엷은 황갈색의 투명한 액체	적 합	적 합
수소이온농도	3.0이상	2.2	2.9
암모니아성질소(%)	0.01이하	불검출	불검출
철(%)	0.3이하	0.041	0.123
비 소(ppm)	10이하	불검출	2.6
납(ppm)	10이하	불검출	1.64
카 드 뮴(ppm)	2이하	불검출	불검출
크 롬(ppm)	10이하	불검출	불검출
망 간(ppm)	25이하	55.906	415.471
수 은(ppm)	0.2이하	불검출	불검출
산화알루미늄(%)	8.0이상	1.0	4.0

3.4 재활용 응집제 사용에 대한 경제성 평가

황산단가 및 설비 설치비 등을 고려한 경제성 분석 결과는 소성슬러지 재활용의 경우 손익분기점이 약 30년이고 농축슬러지 재활용의 경우 약 20년이 예상됐다.

4. 결 론

정수슬러지로부터 용출한 황산알루미늄을 정수처리 공정에서 응집제로 재활용 시에는 최종처리수의 수질은 먹는물 수질기준 이하이나, 기존 수질보다 악화될 우려가 있었다. 현 시점에서 황산단가 및 관련 설비 설치비용이 높기 때문에 정수처리공정에 응집제로 재활용하는 것은 경제성이 낮은 것으로 판단된다. 하지만, 폐산을 이용한 재활용 응집제 제조 공정개발과 하수고도처리시 인 제거 공정에 재활용 응집제의 사용검토가 필요하다고 판단된다.

[참고문헌]

1. 곽종운, 물리화학적 수처리 원리와 응용, 성안당.

2. 권동민 외 2명, 전처리에 의한 정수슬러지의 농축 및 탈수성 향상, 한국물환경학회지,p.47~54(1999).